Anorganische Chemie für Schüler

Anorganische Chemie für Schüler
C. Ziegler und H. Hoﬀmeister
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20. Juli 2014
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Inhaltsverzeichnis
1
Erste Grundlagen
1.1
Wesentliche Eigenschaften von Stoﬀen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2
Gold und Silber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Einteilung chemischer Reaktionen
2.1
Die Vereinigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2
Vereinigung von Kupfer mit Schwefel . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3
Zersetzung von Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4
Die Zersetzung von Quecksilberoxid . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5
Die Zersetzung von Silbersulﬁd . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6
Berzelius neue „Geheimschrift“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7
Zusammenfassung: Gemisch - Reinstoﬀ - Element - Verbindungen
2.8
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.9
Karteikarten erstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10 Wiederholungsfragen Kapitel 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3
Erforschen des Verbrennungsvorgangs
3.1
Erforschung des Verbrennungsvorgangs: Vereinigung oder Zersetzung? . . .
3.2
Verbrennung von Stahlwolle auf einer Balkenwaage . . . . . . . . . . . . .
3.3
Erforschung des Verbrennungsvorgangs: Ist Luft ein Element? . . . . . . .
3.4
Die Zusammensetzung der Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5
Informationen zum Sauerstoﬀ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6
Der Sauerstoﬀ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7
Was brennt bei der Kerze? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8
Erforschung des Verbrennungsvorgangs II: Die Produkte der Verbrennung I
3.9
Übung zur Entzündungstemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10 Verschiedene Formen der Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.11 Gesetz von der Erhaltung der Masse und der Energie . . . . . . . . . . . .
3.12 Energieerhaltung bei chemischen Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.13 Hier sind einige Aufgaben zur Überprüfung Deines Wissens . . . . . . . . .
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4
Säuren und Laugen
4.1
Säuren und Laugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2
Reaktionen der Oxide mit Wasser I - Säurebildung in zwei Schritten
4.3
Reaktionen der Oxide mit Wasser II - in zwei Schritten . . . . . . .
4.4
Der pH-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5
Säuren greifen unedle Metalle an . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6
Säurestärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7
Neutralisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8
Quantitative Neutralisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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III
Inhaltsverzeichnis
4.9
4.10
4.11
5
Rotkohl, der Indikator aus der Küche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die Neutralisation ist eine exotherme Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . .
Wiederholungsfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wasser, Lösungen und die Teilchentheorie
5.1
Stoﬀe bestehen aus winzigen Teilchen, die „Atome“ genannt werden
5.2
Lösen von Stoﬀen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3
Sieden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4
Vorgänge beim Erhitzen von Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5
Lösen von Salzen in Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6
Unterkühlte Salzlösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.7
Übung: Eigenschaften von Lösungsmitteln . . . . . . . . . . . . . .
5.8
Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.9
Wasserverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.10 Übung: Trennungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.11 Übung: Trennen eines Sand/ Salz Gemisches . . . . . . . . . . . . .
5.12 Extraktion von Erdnussöl aus Erdnüssen . . . . . . . . . . . . . . .
5.13 Die Kläranlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6
Dalton's Atomhypothese
103
6.1
Wasserstoﬀ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.2
Wiederholungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
7.1
Gesetze von der Erhaltung der Masse und der Energie . . . . . . . .
7.2
Energieerhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3
Energieerhaltung bei chemischen Reaktionen . . . . . . . . . . . . . .
7.4
Gesetz der konstanten Massenverhältnisse . . . . . . . . . . . . . . .
7.5
Aufgaben zum Rechnen mit Massenverhältnissen . . . . . . . . . . .
7.6
Gesetz der konstanten Massenverhältnisse . . . . . . . . . . . . . . .
7.7
Zerlegbarkeit von Stoﬀen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.8
Daltons Atomhypothese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.9
Dalton bestimmte das Atomgewicht durch Vergleich von Atommassen
7.10 Erklärung des Gesetzes der konstanten Massenverhältnisse . . . . . .
7.11 Gesetz der multiplen Proportionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.12 Regeln für die chemische Formel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.13 Volumenverhältnisse bei chemischen Reaktionen . . . . . . . . . . . .
7.14 Die Oxidationszahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.15 Die griechischen Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.16 Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen I . . . . . . . . . . .
7.17 Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen II . . . . . . . . . . .
7.18 Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen III . . . . . . . . . .
7.19 Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen IV . . . . . . . . . .
7.20 Formelgleichung der Umsetzung von Magnesium mit Salzsäure . . . .
7.21 Bestimmung der Formel eines Salzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.22 Aufgaben mit Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.23 Aufgaben zur Wiederholung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
IV
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Inhaltsverzeichnis
8
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
8.1
Der Rutherford’sche Streuversuch (1909) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2
Die "Grundbausteine"des Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3
Zusatzinfos: Die Geschichte des Atombegriﬀs und des Aufbaus von Atomen
8.4
Die symbolische Schreibweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5
Anordnung der Elementarteilchen im Atomkern . . . . . . . . . . . . . . .
8.6
Geschichtliche Entwicklung der Modelle zum Aufbau der Elektronenhülle .
8.7
Edelgase und Edelgaskonﬁguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.8
Das Periodensystem der Elemente: Die Geschichte des PSE . . . . . . . . .
8.9
Die historische Entwicklung des Periodensystems der Elemente (=PSE) . .
8.10 Isotope des Wasserstoﬀs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.11 Elektronen, Protonen, α-Teilchen und Isotope der leichteren Elemente . . .
8.12 Die Verteilung der Elektronen in der Atomhülle . . . . . . . . . . . . . . .
8.13 Übung: Flammenfärbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.14 Die Energiezustände der Elektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.15 Energieniveaus - die Unterteilung der Energiestufen . . . . . . . . . . . . .
8.16 Wiederholungsfragen Kapitel 7: Aufbau der Atome (Kern-Hülle-Modell) .
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216
Radioaktivität
9.1
Informationen zur Radioaktivität . . .
9.2
Die Entdeckung der Radioaktivität . .
9.3
Schreibweise der Reaktionsschemata . .
9.4
Strahlungsarten . . . . . . . . . . . . .
9.5
C14 - Methode zur Altersbestimmung .
9.6
Massendefekt . . . . . . . . . . . . . .
9.7
Die Atombombe . . . . . . . . . . . . .
9.8
Die Entwicklung der ersten Kernwaﬀen
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11 Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm
11.1 Wiederholung aus der 8. Klasse - Beispiele für Oxidationen . . . . . . . . .
11.2 Die Reaktion von Kupferoxid mit Wasserstoﬀ - eine Redoxreaktionen . . .
11.3 2. Reaktion von Kupferoxid mit Wasserstoﬀ . . . . . . . . . . . . . . . . .
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10 Hauptgruppen des PSE
10.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2 Eigenschaften der Alkalimetalle . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3 Gemeinsame Eigenschaften der 1. Hauptgruppe . . . . . . . .
10.4 Die Erdalkalimetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5 Gemeinsame Eigenschaften der 2. Hauptgruppe . . . . . . . .
10.6 Die Halogene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.7 Gemeinsame Eigenschaften der Elemente der 7. Hauptgruppe
10.8 Edelgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.9 Helium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.10 Tendenzen im PSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.11 Anordnung der Metalle und der Nichtmetalle im heutigen PSE
10.12 Wiederholungsfragen Kapitel 9: Gruppen des PSE . . . . . . .
10.13 Hilfe zum Auswendiglernen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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V
Inhaltsverzeichnis
11.4
11.5
11.6
11.7
11.8
11.9
11.10
11.11
11.12
11.13
11.14
11.15
11.16
Redoxreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Historische Herstellung von Kupfer aus Kupferoxid . . . . . . . . . . .
Informationen zur Bronzezeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eisen, das wichtigste Metall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der Hochofen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die Vorgänge im Hochofen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der Hochofenprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Veredelung des Roheisens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Energiebeteiligung bei chemischen Reaktionen . . . . . . . . . . . . . .
Der Katalysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übung: Reduktions- und Oxidationsvermögen von Metallen I . . . . . .
Reduktions- / Oxidationsvermögen einiger Metalle und Nichtmetalle II
Wiederholungsfragen für Zuhause & das Schwimmbad . . . . . . . . . .
12 Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
12.1 Leitfähigkeitsmessung von Lösungen . . . . . . . . . . . . . . .
12.2 Ionenwanderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3 Edelgaskonﬁguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4 Welche Ionen sind in Natriumchlorid zu ﬁnden? . . . . . . . .
12.5 Erklärung nach den Besetzungsregeln des Orbitalmodells . . .
12.6 Eigenschaften der Salze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.7 Kochsalz „NaCl” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.8 Wie bestimmt man Ionenladungen? . . . . . . . . . . . . . . .
12.9 Die Ionenbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.10 Zusammensetzung der Salze . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.11 Liste einiger wichtiger Anionen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.12 Nomenklatur bei Salzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.13 Zusammenfassung Ionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.14 Übungstest zum Thema „Salze und Ionen“ I . . . . . . . . . .
12.15 4 Möglichkeiten der Salzbildung . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.16 Salzbildung II: Die Bildung von Zinksulﬁd aus den Elementen
12.17 Elektrolyse einer (wässrigen) Kupferchloridlösung . . . . . . .
12.18 Übung - Verkupfern eine Schlüssels . . . . . . . . . . . . . . .
12.19 Max von Laue - Versuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.20 Räumliche Struktur des Natriumchlorids . . . . . . . . . . . .
12.21 Die Koordinationszahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.22 Ionenbindung und das Ionengitter . . . . . . . . . . . . . . . .
12.23 Das Coulomb’sche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.24 Wärme und Kälteeﬀekte beim Lösen von Salzen . . . . . . . .
12.25 „Bananenmodell“ der Hydratisierung: . . . . . . . . . . . . . .
12.26 Fällungsreaktionen - Ionen umhüllen sich mit Wasser . . . . .
12.27 Kalk - ein besonderes Salz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.28 Wiederholungsfragen Ionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.29 Energiebilanz der Salzbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.30 Teilschritte der NaCl - Bildung . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.31 Die Bildung von Zinksulﬁd in Teilschritten . . . . . . . . . . .
VI
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341
346
348
351
355
Inhaltsverzeichnis
13 Chemisches Rechnen (Stöchiometrie)
361
13.1 Die Masse von Atomen und Molekülen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
13.2 Avogadros Gasgesetz und seine Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
13.3 Die Reaktion von Magnesium mit Salzsäure . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
14 Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)377
14.1 Wiederholung der Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
14.2 Weitere anorganische Säuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
14.3 Organische Säuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
14.4 Formeln von einigen ausgewählten organischen Säuren . . . . . . . . . . . 380
14.5 Darstellung von Chlorwasserstoﬀ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
14.6 Die Protolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
14.7 Zweistuﬁge Protolyse von Schwefelsäure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
14.8 Die Autoprotolyse des Wassers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
14.9 Ist Ammoniak (NH3 ) eine Lauge? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
14.10 Ist Natronlauge auch eine Base? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
14.11 Säure-Base Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
14.12 pH-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
14.13 Titration einer Lauge mit Schwefelsäure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
14.14 Quantitative Neutralisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
14.15 Titration einer Salzsäure unbekannter Konzentration . . . . . . . . . . . . 405
14.16 Zusammenfassung: Säure und Basen-/Laugenbildung . . . . . . . . . . . . 407
14.17 Wiederholungsfragen Säure, Lauge, Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
15 Redoxreaktionen als Elektronenübergänge
15.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2 Die Oxidationszahl- eine nützliche Hilfszahl . . . . . . . . . . . . .
15.3 Säurereste und Oxidationszahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.4 Bestimmung von Oxidationszahlen anhand der Strukturformel . .
15.5 Oxidation und Reduktion (=Elektronenübertragungsreaktionen) .
15.6 Schritte zum Erstellen der Reaktionsgleichungen . . . . . . . . . .
15.7 Weitere Beispiele für Redoxreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . .
15.8 Redoxverhalten von Wasserstoﬀperoxid . . . . . . . . . . . . . . .
15.9 Redoxreaktion von Kohlenstoﬀ mit Schwefel . . . . . . . . . . . .
15.10 Reaktionen mit Manganionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.11 Übungsaufgaben Redoxreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.12 Die Elektrolyse - eine erzwungene Redoxreaktion . . . . . . . . .
15.13 Bedeutung von Redoxvorgängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.14 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.1 Die Redoxreihe (Spannungsreihe) der Metalle . . . . . . . . . . .
16.2 Lösungsdruck und Abscheidungsdruck . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3 Ein Zink und ein Kupferstab in einer Kupfersulfatlösung (CuSO4)
16.4 Das Volta-Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.5 Zwei getrennte Halbzellen: Galvanische Elemente . . . . . . . . .
16.6 Elektrochemisches Gleichgewicht (nur GK/LK) . . . . . . . . . .
16.7 Die Salzbrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.8 Das Normalpotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.9 Die elektrochemische Spannungsreihe der Metalle . . . . . . . . .
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430
431
432
434
437
437
438
438
VII
Inhaltsverzeichnis
16.10
16.11
16.12
16.13
16.14
16.15
16.16
16.17
16.18
Die elektrochemische Spannungsreihe der Nichtmetalle . . . . . . .
Die Standard-Wasserstoﬀelektrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die elektrochemische Spannungsreihe . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aussagen der Spannungsreihe I - Berechnung der Leerlaufspannung
Aussagen der Spannungsreihe II - Vorhersage über Redoxreaktionen
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrochemische Stromerzeugung für den Alltag . . . . . . . . . .
Weiterlesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wiederholungsfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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448
17 Elektrochemie I
17.1 Einleitung - Was ist eine chemische Reaktion? . . . . . . . . . . . . .
17.2 Energiebeteiligung bei chemischen Reaktionen . . . . . . . . . . . . .
17.3 Was ist die Reaktionsgeschwindigkeit? . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.4 Messung der Reaktionsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.5 Exkurs: Geschwindigkeit und ihre Messung in der Physik: . . . . . . .
17.6 Die Beeinﬂussung der Reaktionsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . .
17.7 Erklärung für die Temperaturabhängigkeit chemischer Reaktionen . .
17.8 Messung der Zunahme des Volumens in Abhängigkeit von der Zeit . .
17.9 Die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.10 Erklärung für die Konzentrationsabhängigkeit chemischer Reaktionen
17.11 Kinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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18 Reaktionskinetik
18.1 Nachweis von Ionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.2 Übersicht über verschiedene Ionennachweise . . . . . . . .
18.3 Tabellarische Übersicht über wichtige Nachweisreaktionen
18.4 Weitere Nachweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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19 Löslichkeit von Salzen und das Löslichkeitsprodukt
19.1 Das Löslichkeitsprodukt . . . . . . . . . . . . . . . .
19.2 Löslichkeit und Temperatur . . . . . . . . . . . . . .
19.3 Aufgaben zum Löslichkeitsprodukt . . . . . . . . . .
19.4 Löslichkeitsprodukte . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.5 Wiederholungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . .
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20 Fußnoten
481
21 Autoren
483
Abbildungsverzeichnis
485
22 Licenses
22.1 GNU GENERAL PUBLIC LICENSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2 GNU Free Documentation License . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.3 GNU Lesser General Public License . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
493
493
494
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1
1 Erste Grundlagen
1.0.1 Was ist Chemie? - Eine Experimentalwissenschaft
Der Chemie-Nobelpreisträger Linus Pauling1 (1954) soll einmal gesagt haben:
Linus Pauling
Chemie ist die Wissenschaft von den Stoﬀen, von ihren Eigenschaften und den Umwandlungen, durch die neue Stoﬀe entstehen.
unbekannt
Betrachtet man zum Beispiel verschiedene Gegenstände, wie Kunststoﬀbecher, Arzneimittel,
Glas, Metalllöﬀel, Gebäck, Papier, so kommt man schnell zu dem Schluss, dass es Tausende
verschiedener Werkstoﬀe geben muss.
Dabei muss man aber aufpassen, dass man nicht die Eigenschaften der Stoﬀe betrachtet,
die sie nur aufgrund einer bestimmten Form haben: aus Eisen gibt es das scharfe Messer,
die elastische Feder, den spitzen Nagel.
Aber was hat das alles mit Chemie zu tun? Das folgende Schema zeigt eine Übersicht über
die Bedeutung der Chemie im Alltag.
Abb. 1
1
Mindmap Was ist Chemie?
http://de.wikipedia.org/wiki/Linus%20Pauling
3
Erste Grundlagen
Deﬁnition
Chemie beschäftigt sich mit den Eigenschaften aller Stoﬀe und den Möglichkeiten sie
umzuwandeln. Eisen rostet, Gestein verwittert, Holz verrottet, Papier brennt usw.
Zum Verständnis dieser Vorgänge, auch um sie nutzen zu können, führt man Experimente
durch.
→ Stoﬀe vergehen - andere Stoﬀe entstehen.
→ dazu muss die Chemie Experimente durchführen.
1.0.2 Vorgehensweise beim Experimentieren
Zu Beginn geht man von einer Fragestellung aus, anschließend entwickelt man dazu ein Experiment, um die Frage richtig beantworten zu können. Dann musst Du die
Beobachtung, die Du während des Experimentes gemacht hast, aufschreiben und untersuchen, was die Gründe für Deine Beobachtungen sein könnten. Später leitest Du für das
Gesehene eine logische Schlussfolgerung ab, welche im besten Fall einen allgemeinen Sachverhalt erklärt oder beschreibt.
Danach stellst Du Dir eventuell zu der vorausgegangenen Fragestellung eine neue,
genauere Frage, die Du mit Hilfe eines Experimentes beantworten möchtest, um genauere
Werte zu erhalten.
Kurz: Fragestellung/Problemstellung → Experiment → Beobachtung → Schlussfolgerung
(→ neue Frage / genauere Frage)
1.0.3 Laborordnung
1.0.4 Laborordnung (Lösungsblatt)
1.1 Wesentliche Eigenschaften von Stoﬀen
Wenn man einzelne Stoﬀe genau im Experiment untersucht, stellt man fest, dass sie sich
oft in mehreren Punkten unterscheiden.
Diese Tabelle beschreibt die Eigenschaften der Stoﬀe. Im Experiment verändern sie sich
allerdings. Z. B. durch Verbrennen oder Auﬂösen in Wasser können sich die Eigenschaften
verändern.
Eigenschaften
Farbe:
Zustand:
Kohlenstoﬀ
schwarz
Feststoﬀ
Eisen
silbrig, glänzend
Feststoﬀ
Schwefel
zitronengelb
pulvriger Feststoﬀ
Geruch:
kein Geruch
kein Geruch
nicht magnetisch
magnetisch
stinkt nach faulen
Eiern
nicht magnetisch
Sonstiges:
4
Zucker
weiß
pulvriger, kristallartiger Feststoﬀ
kein Geruch
nicht magnetisch
Gold und Silber
Graphit leitet den
elektrischen Strom
wasserunlöslich
spröder Feststoﬀ
leitet den elektrischen Strom
wasserunlöslich
dehnbar / biegsam
leitet den elektrischen Strom nicht
wasserunlöslich
spröder Feststoﬀ
leitet den elektrischen Strom nicht
wasserlöslich
spröder Feststoﬀ
Deﬁnition
Stoﬀe können wir an ihren Eigenschaften erkennen.
1.1.1 Solche Eigenschaften sind:
Farbe, Geruch, Geschmack, Löslichkeit, Brennbarkeit, Leitfähigkeit, Dichte und viele andere.
Damit die Stoﬀe voneinander unterschieden werden können, müssen sie durch nachprüfbare
Eigenschaften exakt beschrieben werden. Zwei verschiedene Stoﬀe können nicht in allen
Eigenschaften gleich sein.
Einige Eigenschaften scheinen sich auch zu ändern. So kann z. B. Wasser in drei verschiedenen Aggregatzuständen auftreten: Eis, Wasser, Wasserdampf.
1.2 Gold und Silber
Die Vorgänger der heutigen Chemiker hießen im Mittelalter Alchimisten. Die Alchimie war
von der Idee der künstlichen Umwandlung von unedlen Metallen zu Gold getrieben. Viele
Herrscher ließen Alchimisten für sich arbeiten und hoﬀten, durch die Entdeckung des „Steins
der Weisen2 “ Gold herstellen zu können. Abgesehen von ein paar Zaubertricks gelang das
allerdings niemandem. Gold kann nicht einfach so hergestellt werden. Mancher Alchimist
bezahlte für diesen Misserfolg mit dem Leben.
In diesem Versuch wirst Du lernen, wie man Gold und Silber herstellen und reich werden
kann.
Deﬁnition
Außerdem lernst Du hier, wie man ein Versuchsprotokoll erstellt. Die grün getippten
Wörter sollten in jedem Deiner zukünftigen Protokolle auftauchen, die blauen können
zusätzlich ein Protokoll bereichern.
1.2.1 Versuch 1 – „Silber“ herstellen
Geräte 2 Bechergläser, Uhrglas, Bunsenbrenner, Stativtischchen
Chemikalien Kupfermünze, Natronlauge, Zinkstaub, Wasser
Versuchsdurchführung Einige blanke Kupfermünzen werden in ein Becherglas gelegt und
mit konzentrierter Natronlauge übergossen. Man fügt dann eine winzige Menge Zinkstaub
2
http://de.wikipedia.org/wiki/Stein_der_Weisen
5
Erste Grundlagen
hinzu und schließt das Becherglas mit einem Uhrglas. Dann erhitzt man alles mit kleiner
Bunsenbrennerﬂamme etwa 5 Minuten lang und bringt das Gemisch zum Sieden. (Vorsicht:
Lauge spritzt und ätzt ⇒ unbedingt eine Schutzbrille aufsetzen)
Nach einigen Minuten wird die Flamme abgestellt und man gießt die erkaltete Lösung in
ein anderes Gefäß ab, so dass die Münzen im ersten Becherglas bleiben. Die Münzen werden
nun abgespült und anschließend mit einem Tuch poliert und genau beobachtet.
Zeichnung vom Versuchsaufbau:
Abb. 2
Versuchsaufbau Herstellung Verzinken
Beobachtung
die Lauge kocht
und brodelt
die Münze färbt
sich silbrig
Schlussfolgerung
⇒ Nicht nur Wasser kann kochen, auch andere Flüssigkeiten kochen. Chemiker nennen diesen Vorgang auch „sieden“.
⇒ Das Zinkpulver setzt sich auf der Münze fest und färbt sie silbrig. Die Natronlauge hat dabei die Aufgabe, Schmutz und Fett
auf der Münze zu lösen, damit sich möglichst überall das Zinkpulver festsetzen kann.
Zusatzinfo zur Verzinkung
Das Verzinken wird fast überall eingesetzt, wo mit reinem Eisen gearbeitet wird. Da Eisen
rostet, möchte man es vor Wasser und Sauerstoﬀ schützen, so dass es nicht rosten kann. Diesen Schutz bietet z. B. eine Zinkschicht. Mögliche Einsatzbereiche sind z. B. das Verzinken
von Autoblechen, Brückenpfeilern, Geländern, Zäunen, Werkzeugen usw.
6
Gold und Silber
1.2.2 Versuch 2 – „Gold“ herstellen
Geräte: Tiegelzange und Bunsenbrenner
Durchführung
Die Münzen aus V1 werden sehr kurz in die rauschende Brennerﬂamme gehalten und gewendet, bis sich ihre Farbe ändert.
Versuchsaufbau
Abb. 3
Versuchsaufbau der Herstellung von Messing
Beobachtung
Die Münze wird
„vergoldet“
Schlussfolgerung
Zink und Kupfer verschmelzen miteinander. Es ist ein neuer Stoﬀ
entstanden. Es hat sich Messing gebildet.
Zusatzinformationen
w:Messing3 ist eine Legierung (Metallmischung) aus Kupfer und Zink. Es ist schon seit dem
dritten Jahrtausend v. Chr. bekannt. Seither wurden daraus hauptsächlich Gefäße, Schmuck
und Kunstgegenstände hergestellt.
Auch heute wird Messing wegen seiner goldähnlichen Farbe für Verzierungen und Beschläge verwendet. Viele Blechblasinstrumente und Teile von Holzblasinstrumenten werden aus
Messing gefertigt. Man nutzt auch seine gute elektrische Leitfähigkeit und seine Stabilität
aus. So sind z. B. oft Antennen und Hohlleiter aus Messing gefertigt. Häuﬁg wird es auch
wegen seiner guten Beständigkeit gegen Rost für Badezimmerarmaturen eingesetzt.
3
http://de.wikipedia.org/wiki/Messing
7
Erste Grundlagen
Eigenschaften
• rötlich glänzendes Metall (je nach Mischungsverhältnis variiert die Farbe von goldorange
(bei hohem Kupferanteil) bis hellgelb)
• härter als reines Kupfer
• schmilzt bei ca. 900–925 Grad Celsius (hängt von der Mischung ab)
• Dichte: ca. 8,3 g/cm³
• unmagnetisch
Messing weist Ähnlichkeiten mit w:Bronze4 auf. Bronze ist eine Kupfer-Zinn-Legierung.
Bei chemischen Versuchen passiert eine ganze Menge, aber was genau unterscheidet sie
eigentlich von physikalischen Versuchen? Untersuche im Unterricht verschiedene Alltagsgegenstände und versuche dann, sie zu entzünden. Der Pfeil → bedeutet übrigens „daraus
folgt“.
Versuch
dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler: Vorlage:
BBeobachtung
• weißer Feststoﬀ
• spröde
Sonstiges
weißer Rauch
und hell gleißende Flamme
dhunparserurl
Anorganische
Chemie für Schüler:
Vorlage:
Stoﬀ
hat sich verSSchlussfolgerung
ändert
→ Chemie
Erhitzen von
Magnesiumband
Ausgangsstoﬀ
Endstoﬀ
• silbrig glänzender Feststoﬀ
• biegsam
keine Veränderung
schmilzt
Physik
• weiß
• kristallin
• schwarze feste
Masse
• brennbarer
weißlicher Rauch
• brenzliger Geruch
• enorme Volumenvergrößerung
• metallisch glänzend
• rotbrauner Feststoﬀ
• biegsam
• schwarzer Feststoﬀ
• spröde
• metallisch glänzend
• silbriger Feststoﬀ
• biegsam
• weißer Feststoﬀ
• spröde
• metallisch glänzend
• silbriger Feststoﬀ
• biegsam
• metallisch glänzend
• silbriger Feststoﬀ
• biegsam
Kerzenstummel
• rot
• fest
• wachsartig
Rübenzucker
Kupfer
kurzzeitig grüne
Flamme
Magnesium
Zink
4
8
• weißer Rauch
• starkes Aufglühen
Veränderung
→ Chemie
Veränderung
→ Chemie
Veränderung
→ Chemie
Physik
http://de.wikipedia.org/wiki/Bronze
Gold und Silber
Deﬁnition
Die Physik befasst sich mit Zuständen und Zustandsänderungen. Die Chemie befasst
sich mit Stoﬀen und Stoﬀänderungen.
Deﬁnition
Eine chemische Reaktion ist gekennzeichnet durch eine Stoﬀumwandlung und einen Energieumsatz.
Beobachte und zeichne die Kerzenﬂamme mit ihren verschiedenen Temperaturzonen. Damit
Du weißt, welche Zone die heißeste ist, führe anschließend folgende Versuche durch:
1. Versuch: Streichholz auf Dochthöhe
2. Versuch: Zwei Streichhölzer
Abb. 4
Versuchsaufbau Kerzenﬂammen-Temperatur
Zeichne nun die heißeste Stelle ein und dann die Temperaturunterschiede in Deine Zeichnung
ein. Kannst Du die Unterschiede erklären?
Im Flammenkern...............................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
Im Flammenmantel............................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
Im Flammensaum .............................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
3. Versuch: Springende Flamme:
Lösche die Kerzenﬂamme und nähere Dich mit brennendem Streichholz. Was passiert?
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................
9
Erste Grundlagen
1.2.3 Aufgaben
1. Woraus besteht der Kern der Flamme?
2. Welcher Vorgang läuft im äußersten Bereich der Flamme (Saum) ab?
Abb. 5
Versuchsaufbau Warum brennt eine Kerze?
Die Kerzenﬂamme hat ihre heißeste Stelle an ihrer Spitze, da dort die optimale Mischung
aus Brennstoﬀ und Sauerstoﬀ vorliegt.
Der Kern wird von Luft abgeschirmt, deshalb kann hier keine Luft zu treten, und der
Wachsdampf kann nicht optimal verbrennen.
Im Mantel wird das verdampfte Wachs durch die Hitze zersetzt, es entstehen Rußteilchen
und brennbare Gase. Allerdings ist der Mantel noch geringfügig durch den Saum abgeschirmt.
Im Saum können Rußteilchen und Gase optimal verbrennen.
10
Gold und Silber
Abb. 6
Bunsenbrenner
Im inneren Flammenkegel ist die Flamme am heißesten, da dort die optimale Mischung von
Erdgas und Sauerstoﬀ vorliegt
→ optimale Verbrennung
Deﬁnition
Merke: Für jede Verbrennung werden Sauerstoﬀ und ein Brennstoﬀ benötigt. Bei optimaler Mischung beider Stoﬀe ist die Verbrennung heiß und rußfrei.
Was brennt eigentlich an der Kerze - Wachs oder Docht? Mache doch mal den Versuch und
entzünde ein Stück Wachs oder einen Wollfaden. Welcher von beiden brennt wie die Kerze?
Versuch
Beobachtung
Verbrennen des
Dochtes
Versuche
ein Wachsstück an
Kerze zu
entzünden
Kerze am
Docht anzünden
Docht glimmt, brennt aber nicht
Wachs schmilzt, brennt nicht
lässt sich entzünden
Schlussfolgerung
Docht alleine
brennt nicht
festes Wachs
brennt nicht
Wachsgase brennen
11
Erste Grundlagen
Deﬁnition
Nur durch Zusammenwirken von Wachs und Docht kann die Kerze brennen
Beweis durch Annähern eines Streichholzes an eine gerade erloschene Kerze!
→ Entzündung, obwohl der Docht nicht berührt wird.
V: Wir befestigen ein engmaschiges Kupferdrahtnetz, welches horizontal zwischen zwei Stativen befestigt ist, über einem Bunsenbrenner und entzünden die Flamme jedoch oberhalb
des Netzes.
B: Ist das Netz groß und feinmaschig genug, brennt das Gas nur oberhalb. Benutzt man
für diesen Versuch ein weitmaschiges Netz, kann man beobachten, dass, nachdem das Netz
zu glühen beginnt, die Flamme auch nach unten durchschlägt.
S: Das Kupfer leitet die Wärme ab und das Gas unterhalb des Netzes kommt so nicht auf
die nötige Temperatur, um sich zu entzünden.
Je nach verwendetem Netz wird dieses so heiß, dass auch unterhalb die Zündtemperatur
erreicht wird.
Der Versuch lässt sich auch ergänzen, indem man das Netz nicht ﬁxiert, sondern es an einem
Halter befestigt und diesen in die Hand nimmt (Schutzhandschuhe nicht vergessen). Bewegt
man das Netz leicht nach unten auf die Flamme zu, so wird sie aus demselben Grund wie
bereits beschrieben "gestaucht".
Problem der Naturwissenschaftler: Wie kann man die Masse von Stoﬀen miteinander vergleichen, wenn zwei Körper nie die gleiche Form haben? w:Dichte5 Wie kann man zwei Körper
unterschiedlicher Form hinsichtlich ihres Gewichtes vergleichen? Eigentlich gar nicht! Man
muss das Volumen mit in Betracht ziehen, sonst könnte man meinen, Kohle sei schwerer als
Blei, nur weil man ein großes Stück Kohlenstoﬀ mit einem kleinen Bleiwürfel vergleicht
Lösung: Wir berechnen das Volumen eines Körpers mit ein, indem wir die Masse durch das
Volumen teilen. Man erhält so die Dichte. Die Dichte ist eine Stoﬀeigenschaft.
Deﬁnition
Jedes Element hat eine andere Dichte. Man spricht deshalb auch von der speziﬁschen
Dichte
1.2.4 Bestimmung der Dichte von Aluminium in drei Schritten
Zur Bestimmung der Dichte muss man die Masse und das Volumen eines Körpers bestimmen:
1. Bestimmung der Masse eines Aluminiumwürfels:
Waage: 2,7 g
2. Bestimmung des Volumens (zwei Wege sind möglich):
5
12
http://de.wikipedia.org/wiki/Dichte
Gold und Silber
Weg 1: Bestimmung des Volumens durch Messen der Kantenlänge: 1 cm3
Weg 2: Bestimmung des Volumens durch Wasserverdrängung: 1 ml, das entspricht 1 cm3
3. Berechnung der Dichte:
Dichte =
Masse
m
=
Volumen V
⇒
[ρ] =
g
cm3
→ Die Dichte von Al beträgt 2,7 g/cm3
Deﬁnition
Die Dichte (Formelzeichen: ρ (griechisch: rho)), ist das Verhältnis der Masse m eines
Körpers zu seinem Volumen V. Die Dichte ist eine Stoﬀeigenschaft.
Deﬁnition
Die SI-Einheit der Dichte ist kg/m3 . Oft sieht man die Dichte noch in g/cm3 .
Manchmal wird die Dichte auch als speziﬁsches Gewicht ausgedrückt.
1.2.5 Aufgaben
1. Wie kann man die Dichte berechnen?
2. Wie kann man die mittlere Dichte eines Körpers bestimmen? Schlage ein Experiment
vor (Tipp: Badewanne)
3. Betrachte die Dichtetabelle. Aus welchen Materialien würdest Du umweltfreundlichere
Autos bauen? Warum?
4. Stoﬀe dehnen sich beim Erwärmen aus. Hat das einen Einﬂuss auf die Dichte?
1.2.6 Dichtetabelle
Tabellensammlung Chemie/ Dichte fester Stoﬀe6 Tabellensammlung Chemie/ Dichte ﬂüssiger Stoﬀe7 Tabellensammlung Chemie/ Dichte gasförmiger Stoﬀe8 Diese Tabelle gibt die
Dichte einiger Stoﬀe und Elemente bei Normaldruck an.
6
7
8
Stoﬀ
Dichte in g/cm3
Osmium
Platin
22,6
Schwefel
21,5
Phosphor
Stoﬀ
Dichte
in
g/cm3
2,1
1,8
http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung%20Chemie%2F%20Dichte%20fester%20Stoffe
http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung%20Chemie%2F%20Dichte%20fl%C3%BCssiger%
20Stoffe
http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung%20Chemie%2F%20Dichte%20gasf%C3%
B6rmiger%20Stoffe
13
Erste Grundlagen
Gold
Uran
Quecksilber
Blei
Silber
Kupfer
Eisen
Zinn
Zink
Chrom
Kohlenstoﬀ
Aluminium
Silizium
19,3
18,7
13,6
Magnesium
Meerwasser
Wasser
1,8
1,025
0,99
11,3
10,5
8,9
7,8
7,3
7,1
6,9
3,5
Eis
Kalium
Alkohol
Benzin
Sauerstoﬀ
Stickstoﬀ
Luft
Neon
0,91
0,86
0,79
0,68
0,0013
0,0012
0,0012
0,00084
2,7
Helium
0,00017
2,3
1. Wie unterscheidet sich Chemie von anderen Naturwissenschaften?
2. Nenne mind. 10 Punkte der Laborordnung, die Deinem Schutz dienen.
3. Was brennt nun eigentlich, wenn du eine Kerze angezündet hast? Beschreibe, welche
Aufgabe der Docht bei der Kerze hat.
4. Die folgenden Sätze beschreiben, was beim Anzünden einer Kerze geschieht. Leider
sind sie durcheinander geraten. Wie muss die richtige Reihenfolge lauten?
a) Am Docht beﬁndet sich festes Wachs. Es brennt nicht.
b) Der Wachsdampf entzündet sich und beginnt zu brennen.
c) Das ﬂüssige Wachs steigt im Docht nach oben (ähnlich wie Tinte im Löschpapier).
d) Der Wachsdampf erreicht seine Entzündungstemperatur.
e) Wenn man eine Streichholzﬂamme an den Docht hält, wird das Wachs erhitzt und
schmilzt.
f) Das Wachs beginnt zu sieden und verdampft.
5. Nenne Eigenschaften der folgenden Elemente: Eisen, Schwefel, Kupfer, Zink, Kohlenstoﬀ, Magnesium.
6. Beschreibe, wie man Metalle verzinken kann und beschreibe dann, wie man Messing
herstellt.
7. Was muss man beachten, um sich vor Natronlauge zu schützen?
8. Nenne Kennzeichen von chemischen Reaktionen.
9. Vergleiche die Flammen von Brenner und Kerze. Nenne verschiedene Eigenschaften
und die Gründe dafür.
10. Wiederhole die Regeln zum Bestimmen der Dichte.
11. Wie ist die Einheit der Dichte? Gib sie bei allen Rechnungen mit an!
12. Wie viel cm3 entsprechen einem 1ml Wasser?
13. Wie schwer ist ein Kupferwürfel mit dem Volumen von 1,55 ml? Wie schwer ist ein
vergleichbarer Bleiwürfel?
14. Um welchen Faktor ist das Schwermetall Blei schwerer als das Leichtmetall Aluminium?
14
Gold und Silber
15. Wie kann man die mittlere Dichte Deines Körpers bestimmen? Schlage ein Experiment
vor (Tipp: Badewanne).
16. Aus welchen Materialien würdest Du umweltfreundlichere Autos bauen? Warum?
15
2 Einteilung chemischer Reaktionen
2.1 Die Vereinigung
Ein wissenschaftlicheres Wort für Vereinigung ist w:Synthese (Chemie)1 .
2.1.1 Die Trennung von Eisen und Schwefel
Oft sind in der Natur und auch im Haushalt Stoﬀe nicht rein, sondern vermischt. Kann
man das wieder rückgängig machen? Wie kann man ein Gemisch trennen? Wenn Du kurz
überlegst, fallen Dir sicherlich viele Methoden ein.
Abb. 7
Mischung und Trennung von Eisen und Schwefel
Drei mögliche Methoden, mit denen sich Eisen- und Schwefelpulver trennen
lassen:
1. Trennung durch einen Magneten unter einem Blatt Papier
2. Trennung durch unterschiedliche Schwimmeigenschaften in Wasser (schwierig!!!)
3. Sortieren, nach Farbe, Körnchengröße und Struktur
1
http://de.wikipedia.org/wiki/Synthese%20%28Chemie%29
17
Einteilung chemischer Reaktionen
Deﬁnition
Gemische kann man (durch geeignete Hilfsmittel) voneinander trennen. Dabei macht
man sich zunutze, dass sich zwei Stoﬀe in mindestens einer ihrer Eigenschaften unterscheiden.
18
Abb. 8
Schwefel
Abb. 9
Eisen-Schwefel-Gemisch
Die Vereinigung
Abb. 10
Eisensulﬁd
2.1.2 Abwandlung des Experiments: Reaktion von Eisen mit Schwefel
Versuchsbeschreibung
Entzündung mit glühendem Nagel oder einer Stricknadel
Beobachtung
Selbstständiges Durchglühen, es bildet sich ein schwarzes, festes Produkt
Test auf weitere Eigenschaften
• höhere Dichte als Wasser
• das Produkt ist nicht mehr magnetisch
Schlussfolgerung
Die neuen Eigenschaften zeigen, dass ein völlig neuer Stoﬀ entstanden ist. Dieser Stoﬀ ist
nicht Eisen und nicht Schwefel, sondern komplett neu! Er wird nach seinen Ausgangsstoﬀen
benannt: "Schwefeleisen" oder auch Eisensulﬁd.
Er war vorher nicht dort, er ist erst entstanden. Eisen und Schwefel sind nicht mehr vorhanden!
Eisen + Schwefel → Eisensulﬁd + Energie
19
Einteilung chemischer Reaktionen
Deﬁnition
Entsteht aus mindestens 2 verschiedenen Reinstoﬀen ein völlig neuer Reinstoﬀ, so spricht
man von einer Vereinigung. Dieser neue Reinstoﬀ wird auch "Verbindung" genannt.
2.2 Vereinigung von Kupfer mit Schwefel
Versuchsbeschreibung
1. Gib in ein Reagenzglas 2 Spatelspitzen Schwefel und spanne es fast waagerecht ein.
Schiebe einen 1 cm • 5 cm langen Kupferstreifen bis zur Mitte in das Reagenzglas
und verschließe es locker mit Glaswolle.
2. Erhitze zuerst das Kupferblech und bringe dann den Schwefel zum Sieden, so dass der
Schwefeldampf über das heiße Kupferblech streicht.
3. Untersuche nun die entstandene Substanz. Notiere Beobachtung und Schlussfolgerung
im Heft.
Abb. 11
Ergebnis des Versuches in Natura
Beobachtung
Das Kupferblech glüht → Energie wird frei. Das Endprodukt ist ein blau-grauer, brüchiger
Stoﬀ
Schlussfolgerung
Kupfer und Schwefel haben sich zu einem neuen Stoﬀ, dem Schwefelkupfer, mit chemischen
Namen w:Kupfersulﬁd2 , vereinigt. Die Verbindung Kupfersulﬁd ist ein blaugrauer, poröser
und brüchiger Stoﬀ.
Kupfer + Schwefel → Kupfersulﬁd + Energie
2
20
http://de.wikipedia.org/wiki/Kupfersulfid
Zersetzung von Wasser
Abb. 12
Vereinigung von Kupfer und Schwefel
2.3 Zersetzung von Wasser
Wenn sich ein Stoﬀ zersetzt, nennen wir es zukünftig w:Analytische Chemie3 .
Versuchsbeschreibung
Im w:Hofmannscher Wasserzersetzungsapparat4 (= Dreischenkelgerät) wird Wasser unter
etwa 12 V Spannung gesetzt und die Produkte werden untersucht.
3
4
http://de.wikipedia.org/wiki/Analytische%20Chemie
http://de.wikipedia.org/wiki/Hofmannscher%20Wasserzersetzungsapparat
21
Einteilung chemischer Reaktionen
Abb. 13
Zersetzung
Beobachtung
2 Gase entstehen im
Verhältnis 1:2
Die Menge des Wassers nimmt ab
Gas 1 zeigt eine positive Knallgasprobe
Gas 2 zeigt eine positive Glimmspanprobe
Wird der Strom ausgeschaltet, ﬁndet
keine Reaktion mehr
statt
Schlussfolgerung
→ Aus Wasser bilden sich zwei neue Stoﬀe
→ Das Wasser ist der Ausgangsstoﬀ der Reaktion, das in Gas
umgewandelt wird.
→ Es ist Wasserstoﬀ entstanden
→ Es ist Sauerstoﬀ entstanden
→ Die Reaktion benötigt Energie zum Ablaufen
Wasser + E → Sauerstoﬀ + Wasserstoﬀ
Deﬁnition
Der Reinstoﬀ Wasser (eine Verbindung) wurde in zwei Reinstoﬀe zersetzt. Dieser Vorgang läuft nur solange, wie Energie zugefügt wird.
Zusatzinformation
Vielleicht hast Du schon mal die chemische Formel H2 O gehört. Sie ist die Formel von
Wasser. In einem späteren Kapitel wirst Du mehr darüber lernen.
22
Die Zersetzung von Quecksilberoxid
2.4 Die Zersetzung von Quecksilberoxid
w:Quecksilber5 Der folgende Versuch ist für die Schule ungeeignet, da im Verlauf ein sehr
giftiger Stoﬀ entsteht.
Theoretischer Versuch: Erhitzen von Quecksilberoxid. Das entstehende Gas wird in einem mit Wasser gefülltem Reagenzglas aufgefangen (pneumatisch).
Abb. 14
Zersetzung von Quecksilberoxid
Beobachtung
Schlussfolgerung
→ Sauerstoﬀ ist entstanden
• beim Erhitzen entstehen Gasblasen
• die spätere Glimmspanprobe ist positiv
silbrig glänzende Tröpfchen am oberen Ende
des Reagenzglases
(dort wo es noch kälter
ist)
→ Es ist das Metall Quecksilber entstanden
Quecksilberoxid besteht aus zwei Elementen: Quecksilber und Sauerstoﬀ. Quecksilber ist
ein grauer Stoﬀ, der sich nach dem Erhitzen am kalten Reagenzglasrand absetzt.
5
http://de.wikipedia.org/wiki/Quecksilber
23
Einteilung chemischer Reaktionen
Abb. 15
Spaltung Quecksilber
Deﬁnition
Entstehen aus 1 Reinstoﬀ mindestens 2 neue Reinstoﬀe, so spricht man von einer Zersetzung.
24
Quecksilberoxid
Reinstoﬀ
Verbindung
+
+
+
E
E
E
→
→
→
Quecksilber
Reinstoﬀ
Element
+
+
+
Sauerstoﬀ
Reinstoﬀ
Element
Die Zersetzung von Quecksilberoxid
25
Einteilung chemischer Reaktionen
Quecksilber selbst kann durch keinen weiteren Versuch zersetzt werden.
Deﬁnition
Erweiterte Elementdeﬁnition: Ein Element ist ein Reinstoﬀ, der nicht weiter zersetzt
werden kann.
2.5 Die Zersetzung von Silbersulﬁd
Ein ähnlicher Versuch ist durch das Erhitzen von Silbersulﬁd ('Schwefelsilber') möglich.
Kannst Du ihn erklären?
Vor der Reaktion:
Abb. 16
vor der Reaktion
Nach der Reaktion sieht das Glasrohr folgendermaßen aus:
Abb. 17
26
nach der Reaktion
Berzelius neue „Geheimschrift“
Auﬂösung:
Beobachtung
Schwefelsilber ist ein grau/schwarzer Stoﬀ, der in einem Rohr zur Reaktion gebracht wird.
Dabei entsteht aus ihm Schwefel und Silber. Das Schwefel setzt sich am kalten Glasrand ab,
das Silber bleibt wegen seiner hohen Dichte am Glasboden liegen.
Schlussfolgerung
Beim Erhitzen zerfällt Schwefelsilber in seine Elemente Silber und Schwefel. Man spricht
auch von einer „thermischen Zersetzung“.
2.6 Berzelius neue „Geheimschrift“
w:Alchemisten6 hatten im Mittelalter oft die Aufgabe Gold herzustellen. Sie waren dazu auf
der Suche nach dem so genannten „Stein der Weisen“, welcher auch ewiges Leben versprach.
Damit niemand die "Geheimnisse" der Alchemisten stehlen konnte, notierte jeder von ihnen
seine Ergebnisse in einer anderen Geheimschrift. Da Alchemisten zwar kein Gold herstellen
konnten, aber oft unglaubliche und eindrucksvolle Experimente durchführten, glaubten viele
Menschen, dass die Chemie Hexerei sei und hatten Angst davor.
Der Schwede w:Berzelius7 (1779-1848) führte sehr umfangreiche und für die damalige Zeit
extrem genaue Experimente durch. Er wusste dadurch, dass es eine Vielzahl von Stoﬀen gab
und er nannte alle Reinstoﬀe, die nicht durch eine Vereinigung entstanden sind, Elemente.
Stoﬀe die durch eine Vereinigung entstehen, nannte er Verbindung. Er bestimmte die für
Elemente noch heute gültige und wichtige Deﬁnition:
Deﬁnition
Ein Element ist ein Reinstoﬀ, der nicht weiter zersetzt werden kann
Durch diese genaue Deﬁnition war es ihm möglich, sogar drei neue chemische Elemente, w:Cer8 , w:Selen9 und w:Thorium10 zu entdecken und die Elemente w:Silizium11 ,
w:Zirkonium12 und w:Titan (Element)13 als Erster in reiner Form zu isolieren.
Damit alle Chemiker davon proﬁtieren konnten, führte er zur Vereinheitlichung das heute
übliche System der chemischen Formelzeichen ein, bei dem jedes Element durch einen oder
zwei Buchstaben des Alphabets symbolisiert wird. Bei Symbolen mit zwei Buchstaben wird,
um Verwechslungen zu vermeiden, der Zweite grundsätzlich klein geschrieben. Nun konnten
auch nicht-Chemiker diese Schrift verstehen und Einblick in die neue Wissenschaft haben.
So verdiente sich Berzelius die Ehre, kein Alchemist mehr gewesen zu sein, sondern vielmehr
der Begründer der modernen Chemie.
6
7
8
9
10
11
12
13
http://de.wikipedia.org/wiki/Alchemisten
http://de.wikipedia.org/wiki/Berzelius
http://de.wikipedia.org/wiki/Cer
http://de.wikipedia.org/wiki/Selen
http://de.wikipedia.org/wiki/Thorium
http://de.wikipedia.org/wiki/Silizium
http://de.wikipedia.org/wiki/Zirkonium
http://de.wikipedia.org/wiki/Titan%20%28Element%29
27
Einteilung chemischer Reaktionen
2.6.1 Beispiele für Berzelius neue „Schrift“:
28
Elementname
Wasserstoﬀ
Sauerstoﬀ
Kohlenstoﬀ
Stickstoﬀ
Schwefel
Kupfer
Eisen
Symbol
H
O
C
N
S
Cu
Fe
Ursprung
Hydrogenium
Oxygenium
Carboneum
Nitrogenium
Sulfur
Cuprum
Ferrum
Elementname
Aluminium
Gold
Silber
Quecksilber
Blei
Magnesium
Phosphor
Symbol
Al
Au
Ag
Hg
Pb
Mg
P
Ursprung
Aluminium
Aurum
Argentum
Hydrargyrum
Plumbum
Magnesia
Phosphorium
Berzelius neue „Geheimschrift“
29
Einteilung chemischer Reaktionen
Deﬁnition
Hinweis: Der wissenschaftliche Name hat oft seinen Ursprung aus dem Latein oder Altgriechischen.
2.6.2 Aufgaben:
1. Lies den Text und unterstreiche mit einem Bleistift alle Schlüsselwörter mit einer
Wellenlinie, alle Nebeninformationen mit einer geraden Linie.
2. Lies den Text nochmals durch, wenn Du keine Änderungen mehr an Deinen Schlüsselwörtern und den Nebeninformationen hast, kennzeichne die Schlüsselwörter mit einem
Textmarker und unterstreiche die Nebeninformationen mit einer feinen roten Linie.
3. Erstelle einen Spickzettel mit den 10 wichtigsten Schlüsselwörtern (und Zeichnungen/
Skizzen)
4. Übe mit Deinem Spickzettel einen freigesprochenen Vortrag zu halten
5. Überlege Dir, warum Berzelius eine „Kurzschreibweise“ eingeführt hat. (Tipp: Welchen
Sinn haben Abkürzungen im Straßenverkehr)
6. Warum hatten die Elemente damals oft einen lateinischen oder griechischen Namen?
2.7 Zusammenfassung: Gemisch - Reinstoﬀ - Element Verbindungen
Reinstoﬀe
Gemisch
Abb. 18
30
waagerechte Pfeile 1
Zusammenfassung: Gemisch - Reinstoﬀ - Element - Verbindungen
Eigenschaften von
Reinstoffen
Jeder noch
so kleine
Teil besitzt alle
Eigenschaften
des Stoffes. Das
heißt: alle Teilchen dieses Stoffes sind
gleich!zum
Beispiel:
• reiner
Zucker
• reines
Kochsalz
Abb. 19 senkrechte Pfeile
Eigenschaften
eines Gemisches
Jeder
einzelne
Bestandteil
eines
Gemisches
ist einem
der beiden
ursprünglichen
Reinstoﬀe
zuzuordnen
und hat
dessen
Eigenschaften.Beispiele
sind:
• Schwefel
/ Eisen;
•
Mineralwasser/
Kohlensäure
• Kakao =
Schokolade/ Fett/
Milch/
Wasser
• Kaﬀee/
Wasser
31
Einteilung chemischer Reaktionen
Eigenschaften
von Elementen
Elemente
sind nicht
zersetzbar
Eigenschaften
von Verbindungen
Verbindungen
wie zum
Beispiel
•
Schwefeleisen
•
Schwefelsilber
•
Quecksilberoxid
sind zersetzbar.
Element
Verbindung
Abb. 20
waagerechte Pfeile 2
2.8 Aufgaben
1. Lies den Text in der Tabelle aufmerksam und vervollständige die folgenden Sätze:
a) Die Trennung eines ............... ist mit einfachen physikalischen Methoden möglich.
b) Ein ................ kann nicht mehr in zwei Reinstoﬀe zersetzt werden.
c) Die ........................ funktioniert nur bei Verbindungen.
d) Bei der Vereinigung zweier Reinstoﬀe entsteht eine ........................... .
e) Die Trennung (Zersetzung) einer Verbindung ist nur mit ....................... Mitteln
möglich.
f) Zerkleinert man ein Gemisch, so ﬁndet man mindesten zwei verschiedene
........................... .
g) Ein Element ist ein Reinstoﬀ, der nicht weiter ...................... werden kann.
2. 2. Beispiele aus der Chemie:
a) Schwefel und Eisen vereinigen sich zu ....................... .
b) Zersetzt man Silberschwefel so entstehen ................. und .................... .
c) Die Verbrennung von Kohle ist eine ...................... von Kohlenstoﬀ und Sauerstoﬀ.
d) Kakao ist ein Gemisch aus ................., ..................., ..................... und
....................... .
e) Mineralwasser mit Sprudel ist ein ................... aus Kohlenstoﬀdioxid und Wasser.
3. Schlage in Deinem Chemieheft alle bisher benutzen Chemikalien nach und trage sie in
Dein Heft in eine Tabelle ein. Unterstreiche dann alle Stoﬀe mit den folgenden Farben:
32
Karteikarten erstellen
Gemische in gelb, Verbindungen in grün, Reinstoﬀe in blau und Elemente in rot
Stoﬀ
Zersetzungsprodukt
Rohrzucker
.....
Zuckerkohle, Qualm
.....
Weiter
zersetzbar?
nein
.....
2.9 Karteikarten erstellen
Erstelle zum Lernen eigene Karteikarten mit den bisher genannten Deﬁnitionen und Zeichnungen.
Folgende Begriﬀe sollten dabei auf keinen Fall fehlen:
•
•
•
•
•
•
•
•
Element
Vereinigung,
Zersetzung,
Elementsymbole,
Reinstoﬀ,
Aggregatzustände
Gemisch
Trennungsmethoden
Ein Element ist ein Stoﬀ, der aus gleichen Atomen besteht.
2.10 Wiederholungsfragen Kapitel 2
1. Nenne Merkmale von chemischen Reaktionen und entscheide, ob eine in den Beispielen
eine solche vorliegt:
a) Wäsche bei 40°C waschen
b) eine CD zerbrechen
c) eine CD schmelzen
d) Holz im Kamin entzünden
2. Erkläre die Begriﬀe Vereinigung und Zersetzung und nenne für beide Reaktionen je
zwei Beispiele.
3. Was ist der Unterschied zwischen einer Vereinigung (von z. B. Eisen und Schwefel)
und dem Mischen (von z. B. Eisen und Schwefel)?
4. Was ist der Unterschied zwischen einer Zersetzung und dem Trennen?
5. Nenne Stationen im Leben von Berzelius.
6. Erkläre mit Deinen Worten den Vorgang der Vereinigung. Warum ist ein Gemisch
nicht vereinigt?
7. Eine Testfrage lautete: Wie kann man feststellen, ob sich Silber und Schwefel in einer
Reaktion tatsächlich vereinigt habe? (5P)
Ein Schüler schreibt dazu: „Wenn sich Silber und Schwefel zu Silbersulﬁd vereinigen,
kann man es leicht zeigen, indem man beide Stoﬀe in Wasser gibt. Silber schwimmt
nicht und Schwefel schwimmt. Durch diese Trennung ist beweisen, dass beide Stoﬀe
in Silbersulﬁd enthalten sind.“
33
Einteilung chemischer Reaktionen
Wie viele Punkte würdest Du dem Schüler geben? Begründe Deine Meinung?
34
3 Erforschen des Verbrennungsvorgangs
3.1 Erforschung des Verbrennungsvorgangs: Vereinigung
oder Zersetzung?
Die Verbrennung von Brennstoﬀen ist ein chemischer Vorgang, der für die Menschheit schon
immer einer der wichtigsten war. Erst durch die Entdeckung des Feuers konnte eine Zivilisation sich entwickeln. Auf den folgenden Seiten wirst Du viel Neues über das Feuer (welches
ja im Altertum noch als Stoﬀ, sogar als Element verstanden wurde) und den Verbrennungsvorgang lernen. Zuerst beschäftigen wir uns mit der Frage, ob eine Verbrennung eine
Vereinigung oder eine Zersetzung ist. Dazu schauen wir uns die Masse vor und nach der
Reaktion an und ziehen Schlussfolgerungen.
Würde man die Masse bei einer Verbrennung untersuchen, so wären drei theoretische Ergebnisse denkbar:
Massenzunahme → Vereinigung
Massenabnahme → Zersetzung
Keine Massenänderung → Verbrennung ist keine chemische Reaktion
Schüler vermuten hier vieles… Es ist ja auch verwirrend, denn eine Kerze und ein Grillfeuer
verlieren doch Masse, oder?
3.2 Verbrennung von Stahlwolle auf einer Balkenwaage
Versuchsbeschreibung
35
Erforschen des Verbrennungsvorgangs
Abb. 21
Erforschen des Verbrennungsvorgangs1
Stahlwolle wird an eine Balkenwaage gehängt und mit dem Brenner entzündet. Als Alternative kann die Stahlwolle auch mit einer 4,5 V Batterie entzündet werden.
Beobachtung
Die Seite mit der Stahlwolle wird schwerer. (Zuerst wird die Seite mit der Stahlwolle vielleicht leichter, dann deutlich schwerer.)
Schlussfolgerung
Die Verbrennung ist eine Reaktion mit Luftsauerstoﬀ. Die Stahlwolle verbrennt dabei mit
Sauerstoﬀ zu Eisenoxid, welches schwerer als Eisen ist.
Deﬁnition
→ Jede Verbrennung ist eine Vereinigung mit Sauerstoﬀ (=Oxidation).
Es bildet sich ein Oxid.
3.2.1 Aufgaben
1. Erkläre mit eigenen Worten die Massenänderung bei diesem Versuch.
2. Warum wird die Kerze bei der Verbrennung leichter?
3. Die Feuerwehr ist immer daran interessiert, wie man am Besten ein Feuer löschen
kann. Vergleiche die Löschwirkung von Wasser und CO2 - Schaum.
4. Wie würde die Feuerwehr ein brennendes Holzfeuer, und wie ein Benzinfeuer löschen?
3.3 Erforschung des Verbrennungsvorgangs: Ist Luft ein
Element?
Der Sauerstoﬀ für die Verbrennung kommt aus der Umgebungsluft. Luft wurde im Altertum
als Element bezeichnet. Nachdem Du schon weißt, dass Feuer kein Element ist (und Wasser
36
Erforschung des Verbrennungsvorgangs: Ist Luft ein Element?
auch nicht - siehe Wasserzersetzung), entsteht die Frage, ob Luft ein Element oder ein
Gemisch ist.
Versuchsbeschreibung
Spiritus wird unter einer Glasglocke entzündet.
Abb. 22
Erforschen des Verbrennungsvorgangs2
dhunparserurl Anorganische Chemie für
Schüler: Vorlage: BBeobachtung
dhunparserurl Anorganische Chemie für
Schüler: Vorlage: SSchlussfolgerung
Wasserpegel sinkt und manchmal entweicht Luft beim Reaktionsstart
Die Flamme erlischt.
→ Durch die Hitze der Flamme wird die
Luft erwärmt. Sie dehnt sich aus.
→ Spiritus verbrennt mit Sauerstoﬀ.
Wenn der Sauerstoﬀanteil von 21% auf
16% gesunken ist, erlischt die Flamme.
37
Erforschen des Verbrennungsvorgangs
Das Wasser steigt etwa 20%.
→ Ein Teil des Sauerstoﬀs hat reagiert.
Da dieser aber in Kohlenstoﬀdioxid umgewandelt wird, hat dieser Eﬀekt keine Auswirkung auf die Volumenänderung. Tatsächlich verringert sich das Volumen, weil das Gasgemisch nach dem
Verlöschen der Flamme abkühlt und
sich zusammenzieht. Eine verbreitete
Fehlvorstellung ist, durch den „fehlenden“ Sauerstoﬀ würde Platz frei.http:
//www.wer-weiss-was.de/theme50/
article2187155.htmldhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler: Vorlage:
Merksatz
Deﬁnition
3.4 Die Zusammensetzung der Luft
In Luft sind enthalten
Sauerstoﬀ
Stickstoﬀ
Edelgase
Kohlenstoﬀdioxid + Restgase
Volumenprozent
20,95%
78,1%
0,93%
0,03%
Deﬁnition
Rund 1/5 der Luft besteht aus Sauerstoﬀ.
Nur dieser kann sich mit brennbaren Stoﬀen bei einer Verbrennung vereinigen.
Die Vereinigung eines Stoﬀes mit Sauerstoﬀ nennt man Oxidation.
Die Verbindungen der Elemente mit Sauerstoﬀ nennt man Oxide.
38
Informationen zum Sauerstoﬀ
Abb. 23
Erforschen des Verbrennungsvorgangs3
3.4.1 Aufgaben
1. Aufgabe
a) In einem Becherglas, das mit Wasser gefüllt ist, steht ein Reagenzglas mit der
Öﬀnung nach unten. Es enthält Stahlwolle, die mit
Wasser getränkt ist (siehe Zeichnung). Lässt man den Versuch zwei Tage stehen,
steigt das Wasser im Reagenzglas an. Erkläre.
b) Um wie viel Prozent kann das Wasser nur steigen? Warum?
2. Kommt man bei Wiederholung des Versuches zum gleichen Ergebnis?
3. Warum kannst Du ausschließen, dass Luft ein Element ist?
3.5 Informationen zum Sauerstoﬀ
Nach: w:Sauerstoﬀ1
w:Sauerstoﬀ2 wurde im Mittelalter auch Oxygenium genannt (von griech. oxýs „scharf, spitz,
sauer“ und genese „erzeugen“ - (Symbol O)), weil man falscherweise vermutete, dass Sauerstoﬀ für die Bildung von Säuren verantwortlich ist. Das Element Sauerstoﬀ stellt in der
Erdhülle mit 49,4 Massenprozenten das häuﬁgste, im Weltall das dritthäuﬁgste Element
dar. Unter Normalbedingungen ist es ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas.
Atomarer Sauerstoﬀ, das heißt Sauerstoﬀ in Form freier, einzelner Sauerstoﬀatome, kommt
in der Natur nicht vor. Vielmehr kommt er immer als Verbindung aus zwei SauerstoﬀAtomen (O2 ) vor. Eine weitere Form ist das wenig stabile Ozon (O3 ). In der Luft hält sich
der relativ reaktionsfreudige Sauerstoﬀ auf Dauer nur wegen der Tatsache, dass die Erde
Lebewesen beherbergt, die immer neuen Sauerstoﬀ produzieren - ansonsten würde er nur
in Verbindungen, vor allem in Form von Metalloxiden oder Wasser vorkommen.
1
2
http://de.wikipedia.org/wiki/Sauerstoff
http://de.wikipedia.org/wiki/Sauerstoff
39
Erforschen des Verbrennungsvorgangs
Von der Urzeit bis über das Mittelalter hinaus war das Feuer für den Menschen eine unerklärliche Erscheinung. Lange Zeit wurde es von den Menschen als Gabe des Himmels
hingenommen. Die Chemiker des Mittelalters, die sogenannten Alchimisten, ﬁngen an, sich
über das Wesen des Feuers Gedanken zu machen. Sie kamen dabei zu der Ansicht, das Feuer sei ein Grundstoﬀ. Gegen Ende des 17. Jahrhunderts suchte man eine Erklärung für die
Verbrennung. Die Forscher vermuteten einen leichten geheimnisvollen Stoﬀ, das Phlogiston,
der aus brennenden Stoﬀen entweicht. Somit wäre die Verbrennung allerdings eine Zersetzung gewesen, was leicht zu widerlegen ist. Bei dieser Annahme blieb man auch dann noch,
als der schwedische Apotheker w:Carl Wilhelm Scheele3 1772 den Sauerstoﬀ entdeckte.
Der Sauerstoﬀ war nun zwar erforscht, doch seine Bedeutung bei der Verbrennung noch nicht
geklärt. Dafür sorgte dann der Pariser Forscher w:Antoine Lavoisier4 (1743 - 1794). Beim
Experimentieren kam dieser zu dem Ergebnis, dass sich bei der Verbrennung ein Stoﬀ mit
Sauerstoﬀ verbindet. Er konnte mit einer Waage nachweisen, dass ein Stoﬀ beim Brennen
nicht leichter, sondern schwerer wird. Der Grund dafür ist das Gewicht des Sauerstoﬀs,
der während der Verbrennung aufgenommen wird. Die Erklärung der Verbrennung, die
uns heute selbstverständlich, notwendig und unabkömmlich erscheint, ist also das Ergebnis
langen Forschens.
Einige bekannte Verbindungen, in denen Sauerstoﬀ vorkommt sind Wasser, Kohlendioxid,
Siliziumdioxid (=Sand), viele Säuren, in vielen Salzen als Säurereste, Zucker, Silikate und
viele mehr.
• Sauerstoﬀ ist das häuﬁgste Element auf der Erde. Es ist ein farb- und geruchloses Gas
• Es hat die chemische Formel O2 (d.h. ein Sauerstoﬀatom ist mit einem anderen vereinigt)
• Siedepunkt: -182.9°C (Sauerstoﬀ ist als Flüssigkeit hellblau)
• Schmelzpunkt: -218.4°C (Sauerstoﬀ ist als Feststoﬀ eine hellblaue kristalline Masse)
• Bei 0°C hat Sauerstoﬀ (1,43 g/l) eine größere Dichte als Luft (1,29 g/l)
• Auch Gase lösen sich in Wasser (nicht nur Feststoﬀe wie Zucker oder Salz). Bei 20°C lösen
sich in einem Liter Wasser 31,1 ml O2 - So können auch Lebewesen, die unter Wasser
leben, atmen.
• Sauerstoﬀ wurde 1774 unabhängig voneinander durch w:Joseph Priestley5 und Carl Wilhelm Scheele entdeckt.
3.6 Der Sauerstoﬀ
Im Labor kann man Sauerstoﬀ leicht aus Nitraten herstellen. Diese sind aus diesem Grunde
auch in vielen Sprengstoﬀen enthalten.
Aber Achtung! Führe diese Versuche nicht außerhalb der Schule durch - Nitrate sind
unberechenbar.
Selbst mit viel Erfahrung ist der Umgang damit sehr gefährlich!
3
4
5
40
http://de.wikipedia.org/wiki/Carl%20Wilhelm%20Scheele
http://de.wikipedia.org/wiki/Antoine%20Lavoisier
http://de.wikipedia.org/wiki/Joseph%20Priestley
Der Sauerstoﬀ
Versuchsbeschreibung
Erhitzen von Kaliumnitrat. In das Reagenzglas werden dann die folgenden Stoﬀe gehalten:
a) Glimmspan
b) Holzkohle
c) Schwefel
Abb. 24
Erforschen des Verbrennungsvorgangs4
Beobachtung
• Das Salz Kaliumnitrat (weißer kristalliner Feststoﬀ) schmilzt
• Gasblasen steigen auf
• weißer Rückstand
zu a) Glimmspanprobe positiv
zu b) Holzkohle glüht auf
zu c) Schwefel verbrennt mit hellblauer Flamme
Schlussfolgerung
Kaliumnitrat wird zersetzt in Sauerstoﬀ und Kaliumnitrit (Vorsicht: Giftig!). Der Sauerstoﬀ
ermöglicht erst die Verbrennung des Kohlenstoﬀes im Holz. Er ist somit für die Oxidation
verantwortlich. Da das Kaliumnitrat den Sauerstoﬀ bereitstellt, wird es als
Deﬁnition
bezeichnet.
41
+
+
+
Kaliumnitrat
Holzkohle
Schwefel
42
Sauerstoﬀ
Sauerstoﬀ
Energie
Sauerstoﬀ
Kohlenstoﬀdioxid
Schwefeloxid
−→
−→
−→
+
+
+
Kaliumnitrit
Energie
Energie
Erforschen des Verbrennungsvorgangs
Was brennt bei der Kerze?
Deﬁnition
Sauerstoﬀ ist unverzichtbar als Partner für jede Verbrennung. Er oxidiert dabei seinen
Reaktionspartner und wird deshalb auch Oxidationsmittel genannt.
3.7 Was brennt bei der Kerze?
w:Kerze6
Kerzen dienten früher, neben Fackeln, Öl- und Talglampen, als Lampen für die Lichterzeugung. Kerzen werden heute noch in der Kirche, zu Hause oder bei Festen verwendet, um
eine entspannte Atmosphäre zu schaﬀen.
Es gibt eine wichtige und einfache Frage: Was brennt da eigentlich? Du wirst Dich wundern,
wie kompliziert die Antwort ist.
Führe doch mal in Gegenwart Deiner Eltern folgenden Versuch durch: Nimm eine brennende
Kerze, lösche diese und nähere dich sofort von Oben mit einem brennendem Streichholz.
→ Entzündung trotz Distanz
Was folgt aus diesem Versuch? Was brennt nun eigentlich? Der Docht?
Erklärung: Ein saugfähiger, nicht schmelzbarer Docht, meist ein Faden aus Baumwolle, ist
von niedrig schmelzendem Wachs umgeben. Als Wachs diente früher Bienenwachs (Schmelzpunkt bei ca. 65°C), heute meist Stearin (aus tierischen oder pﬂanzlichen Fetten gewonnen,
Schmelzpunkt 56°C) oder Paraﬃn (Teelichter) mit einem Schmelzpunkt um 55 °C, das seit
etwa 1830 aus der Erdölverarbeitung stammt.
Deﬁnition
Nach Anzünden des Dochts schmilzt das Wachs. Durch die Sogwirkung des Dochts wird
ständig neues (geschmolzenes) Wachs in die Flamme transportiert, wo es verdampft und
verbrennt → gasförmiges Kerzenwachs verbrennt.
Hypothese
Kerzenwachs + Sauerstoﬀ −→ „brennbares Gas“ + Kohlendioxid +
Energie
Zusatzinformation
Die Konvektion, d.h. das Aufsteigen der warmen Verbrennungsgase, versorgt die Flamme
mit unverbrauchter Luft und gibt der Kerzenﬂamme die charakteristische lang gestreckte
Form.
Wird der Docht zu lang, beginnt die Kerze zu rußen. Moderne Kerzen enthalten deshalb
einen asymmetrisch geﬂochtenen Docht. Beim Brennen neigt er sich zur Seite und der obere
Bereich verglüht (siehe glühende Dochtspitze im Bild).
6
http://de.wikipedia.org/wiki/Kerze
43
Erforschen des Verbrennungsvorgangs
In einer Stunde verbrennt eine Kerze ca. 3 - 8g Wachs und erzeugt eine Heizleistung von
etwa 50 W.
3.8 Erforschung des Verbrennungsvorgangs II: Die
Produkte der Verbrennung I
Nachdem wir uns nun mit den Bedingungen, Ausgangsstoﬀen und dem Vorgang der Verbrennung beschäftigt haben, wollen wir uns nun die Produkte näher ansehen. Damit wir
diese besser untersuchen können, müssen wir uns in einem Vorversuch eine Nachweissubstanz (Kalkwasser) herstellen.
3.8.1 Herstellung von Kalkwasser (CO2 - Nachweis mit Kalkwasser)
Versuchsbeschreibung
Calciumoxid wird mit Wasser gemischt und durch Filtrieren gereinigt. Dabei entsteht Kalkwasser, welches zum Nachweis von Kohlenstoﬀdioxid dient. Um zu testen, dass es gut funktioniert, wird in einen kleinen Teil des Kalkwassers hinein geblasen.
dhunparserurl Anorganische Chemie für
Schüler: Vorlage: BBeobachtung
dhunparserurl Anorganische Chemie für
Schüler: Vorlage: SSchlussfolgerung
Es entsteht eine milchige Lösung
→ Ein Feststoﬀ entsteht, der sich nicht
richtig auﬂöst.
→ Der Feststoﬀ bleibt im Filter, das im
Wasser bereits gelöste Calciumoxid läuft
hindurch, da gelöste Stoﬀe viel kleiner
sind und durch die Poren des Filters passen.
→ Durch die Zugabe von Kohlenstoﬀdioxid trübt sich Kalkwasser. Es muss also
ein neuer Stoﬀ entstanden sein, welcher
in Wasser unlöslich ist. Dieser Stoﬀ ist
Kalk, der als Feststoﬀ ausfällt und auch
für die Trübung sorgt.
Nach dem Filtrieren entsteht eine klare
Lösung.
Beim Reinblasen trübt sich die klare Lösung.
Kalkwasser + Kohlenstoﬀdioxid −→ Kalk + Wasser + Energie
Deﬁnition
Wasserklares Kalkwasser ist ein Nachweismittel für Kohlenstoﬀdioxid. Bei Kontakt mit
diesem wird es durch Kalkbildung milchig trüb.
44
Erforschung des Verbrennungsvorgangs II: Die Produkte der Verbrennung I
3.8.2 Nachweis von CO2 als Verbrennungsprodukt
w:Kohlenstoﬀdioxid7
Versuchsbeschreibung
Nun kommen wir zum eigentlichen Versuch. Wir untersuchen die Gase, die bei der Verbrennung von Kerzenwachs entstehen. Das Hauptproblem musst Du allerdings noch selbst
lösen: wie kann man Verbrennungsprodukte auﬀangen, um sie nachweisen? Entwickle eigene
Ideen, wie man die Gase einer Kerze auﬀangen kann. Hast Du eine Möglichkeit gefunden,
so füge den Gasen Kalkwasser zu.
Beobachtung
Kalkwasser trübt sich
Schlussfolgerung
bei der Verbrennung von Wachs entsteht Kohlenstoﬀdioxid.
Deﬁnition
Ein Verbrennungsprodukt der Kerze (und aller anderen Kohlenstoﬀverbindungen auch)
ist Kohlenstoﬀdioxid CO2 .
Hinweise
w:Kohlenstoﬀmonoxid8
• Wenn zu wenig Sauerstoﬀ bei der Verbrennung vorhanden ist, kann Kohlenstoﬀmonooxid
CO entstehen. Dieses ist ein sehr giftiges Gas.
• Da Kohlenstoﬀdioxid nicht mehr verbrennen kann, ist es ein hervorragendes Löschmittel.
In Feuerlöschern ﬁndest Du es oft an Schaum gebunden.
3.8.3 Verbrennen von Nicht-Metallen (in reinem Sauerstoﬀ )
Versuchsbeschreibung
Der Lehrer zeigt Dir einige besondere Versuche. Er verbrennt Schwefel, Phosphor und Kohlenstoﬀ (für Kohlenstoﬀ nimmt man kohlenstoﬀhaltige Verbindungen wie z. B.: eine Kerze,
eine Zigarette, ein Holzspan, Papier usw...) in reinem Sauerstoﬀ:
7
8
http://de.wikipedia.org/wiki/Kohlenstoffdioxid
http://de.wikipedia.org/wiki/Kohlenstoffmonoxid
45
Kohlenstoﬀ
Schwefel
Phosphor
+
+
+
Sauerstoﬀ
Sauerstoﬀ
Sauerstoﬀ
−→
−→
−→
Kohlenstoﬀoxid
Schwefeloxid
Phosphoroxid
+
+
+
Energie
Energie
Energie
Erforschen des Verbrennungsvorgangs
46
Erforschung des Verbrennungsvorgangs II: Die Produkte der Verbrennung I
Was haben alle Versuche gemeinsam?
Deﬁnition
Bei der Verbrennung von Nichtmetallen entstehen Nichtmetalloxide. Sie bilden sich durch
die Vereinigung von Nichtmetall mit Sauerstoﬀ.
Deﬁnition
Wiederholung: Die Vereinigung eines Stoﬀes mit Sauerstoﬀ wird Oxidation genannt.
Kohlenstoﬀdioxid9 ist nicht das einzig mögliche Produkt. Ist für die Verbrennung von Kohlenstoﬀ nicht genügend Sauerstoﬀ vorhanden, so entsteht auch das giftige Kohlenmonoxid.
3.8.4 Aufgaben
1.
2.
3.
4.
5.
Um welchen Faktor verbrennen die Stoﬀe in reinem Sauerstoﬀ schneller als in Luft?
Erkläre den Begriﬀ Nichtmetalloxid.
Ordne den drei w:Aggregatzustände10 dir bekannte Nichtmetalloxide zu.
Informiere Dich über den Stoﬀ Kohlenmonooxid und seine Gefahren.
Weißt Du auch, warum Kohlenmonooxid so gefährlich ist?
3.8.5 Verbrennen von Metallen
Nachdem wir uns mit den Nichtmetallen und ihren Oxiden beschäftigt haben, steht noch die
Frage oﬀen, was mit den Metallen passiert, denn das Verbrennen von Metallen entspricht
ja meistens nicht den Erfahrungen der Schüler!
Zur Demonstration verbrennt der Lehrer Eisen, Aluminium und Magnesium in reinem Sauerstoﬀ. Du wirst schöne, vielleicht sogar Dir bekannte Eﬀekte beobachten können.
9
10
zur Erklärung di = zwei/ mono = eins
http://de.wikipedia.org/wiki/Aggregatzust%C3%A4nde
47
Eisen
Aluminium
Magnesium
Sauerstoﬀ
Sauerstoﬀ
Sauerstoﬀ
+
+
+
Eisenoxid
Aluminiumoxid
Magnesiumoxid
−→
−→
−→
48
+
+
+
Energie
Energie
Energie
Erforschen des Verbrennungsvorgangs
Erforschung des Verbrennungsvorgangs II: Die Produkte der Verbrennung I
Deﬁnition
Bei der Verbrennung von Metallen entstehen Metalloxide. Sie bilden sich durch die Vereinigung von Metall mit Sauerstoﬀ.
3.8.6 Aufgaben
1. Erkläre den Begriﬀ „Metalloxid“ mit Deinen eigene Worten.
2. Lies im Buch oder im Internet über die Verwendung von Metalloxiden11 nach (achte
dabei besonders auf die Verwendung zum Färben von Keramik und Ton usw.).
3. Informiere Dich dann über die negativen Seiten von Metalloxiden. Ein gutes Stichwort
für Deine Suche ist w:Korrosion12 , w:Korrosionsschutz13 oder auch w:Rost (Korrosion)14 .
Verzweiﬂe aber nicht an der Schwierigkeit! Korrosion ist ein komplexes Thema. Viele der
chemischen Reaktionen sind noch zu schwer für Deinen momentanen Wissensstand.
3.8.7 Die Entzündungstemperatur
Sauerstoﬀ und der Brennstoﬀ reagieren erst miteinander, wenn die „Bedingungen“ günstig
sind. Zu diesen Bedingungen gehört auch eine bestimmte Temperatur. Das ist schon daraus
leicht verständlich, da ein Feuer beim Löschen ausgeht, wenn man Wasser darüber gießt.
(Wasser kühlt den Brennstoﬀ ab).
Versuchsbeschreibung
In einem Tiegel wird eine kleine Menge Kerzenwachs mit dem Bunsenbrenner solange erhitzt, bis eine Flamme entsteht
Beobachtung
Zuerst bildet sich Wachsdampf, der immer dunkler sowie dichter wird und der sich schließlich
von selbst entzündet. Selbst nach dem Löschen durch Ersticken entzündet sich alles oft von
selbst wieder.
Schlussfolgerung
Auch ohne dass heißes Wachs mit einer Flamme in Berührung kommt, entzündet es sich
bei ca. 250°C. Dazu ist nicht unbedingt ein Funken nötig. Das Löschen von solchen Feuern
ist sehr schwierig, da sie sich jederzeit wieder von selbst entzünden können.
11
12
13
14
http://de.wikipedia.org/wiki/Metalloxide
http://de.wikipedia.org/wiki/Korrosion
http://de.wikipedia.org/wiki/Korrosionsschutz
http://de.wikipedia.org/wiki/Rost%20%28Korrosion%29
49
Erforschen des Verbrennungsvorgangs
Deﬁnition
Die Entzündungstemperatur (auch Zündtemperatur) ist die Temperatur eines Stoﬀes,
bei der er sich ohne Fremdeinwirkung von selbst entzündet.
An einer oﬀenen Flamme ist die Entzündungstemperatur immer vorhanden, aber auch durch
Funken oder heiße Gegenstände kann eine Zündung ausgelöst werden.
Deﬁnition
Wichtig: Flüssige Brennstoﬀe, die sehr leicht Gase oder Dämpfe bilden, entzünden sich
viel schneller als feste Brennstoﬀe. Sie sind deshalb feuergefährlich (z. B. Benzin).
→ Wenn die Brennstoﬀe schon gasförmig sind, genügt oft ein Funke, um sie zu entzünden.
Hier einige Beispiele für Temperaturen, bei denen sich Stoﬀ von selbst entzünden:
Brennstoﬀ
Phosphor weiß
Streichholzkopf
Zündholzkopf
Holzkohle
Ether
Zeitungspapier
Stearin
Kunststoﬀe
Benzin
Terpentin
Torf
Schwefel
Paraﬃn (=Kerzenwachs)
Benzin (Auto)
Dieselöl
Heizöl
Papier
Kohle
Stroh
Getreide
Heu
Benzin (rein)
Weizenstaub
Holz
50
Entzündungstemperatur [°C]
60
ca. 60
80
150 - 220
170
175
196
200 - 300
220 - 300
220
230
250
250
ca. 250 - 460
250 - 350
250
ca. 250
240-280
250-300
250-320
260-310
250
270
280-340
Brennstoﬀ
Fichtenholz
Fett
Holzkohle
Phosphor rot
trockenes Holz
Petroleum
Kork
Steinkohle
Schreibpapier
Butan (Flüssiggas
für Feuerzeuge)
Asphalt
Glycerin
Zucker
Spiritus
Ethanol
Baumwolle
Methanol
Propangas
Essig (-säure)
Roggenmehl
Schmieröl
Methan (=Erdgas)
Aceton
Teer
Entzündungstemperatur [°C]
280
300
300
300
ca. 300
300
300-320
350 - 600
360
400
ca. 400
400
410
425
425
450
455
460
460
500
500
ca. 600
600
600
Übung zur Entzündungstemperatur
Weitere Beispiele ﬁndest du unter w:Zündtemperatur15 .
3.9 Übung zur Entzündungstemperatur
Du kannst im Unterricht die Erstaunlichkeit der Zündtemperatur leicht überprüfen.
Versuchsbeschreibung
Falte ein kleines Blatt als Trichter und durchstoße es mit einer oder zwei langen Metallnadeln
im oberen Viertel. Fülle den Trichter bis 1 cm vor die Einstichstellen mit Wasser und stelle
darunter eine brennende Kerze.
Abb. 25
Erforschen des Verbrennungsvorgangs
Was passiert wohl? Die meisten Schüler vermuten hier Entzündung des Papiers und Auslaufen des Wassers, wobei das auslaufende Wasser die Kerze löscht. Aber, wie heiß kann
Papier denn werden, wenn sich darin Wasser beﬁndet?
Beobachtung
Das Papier wird schwarz, das Wasser wird warm und beginnt evtl. zu kochen
Schlussfolgerung
Papier hat Entzündungstemperatur von 250°C. Solange Wasser in dem Papier ist, kann
15
http://de.wikipedia.org/wiki/Z%C3%BCndtemperatur
51
Erforschen des Verbrennungsvorgangs
seine Temperatur nicht >100°C sein. Deshalb kann das Papier sich nicht entzünden, da es
vom Wasser gekühlt wird.
Deﬁnition
Stoﬀe, die eine Temperatur unterhalb der Entzündungstemperatur haben, können nicht
entzündet werden.
Deﬁnition
Für eine Verbrennung werden also immer 3 Dinge benötigta
• ein brennbarer Stoﬀ, z. B. Papier, Holz, Kohle, Benzin, Spiritus, Heizöl, Erdgas.
• Sauerstoﬀ
• Entzündungstemperatur.
a
Später wirst Du lernen, dass auch der so genannte Zerteilungsgrad eine Rolle spielt.
3.9.1 Aufgaben
1. Bei einem Waldbrand ﬂiegen mit Wasser beladene Hubschrauber über das Feuer und
werfen das Wasser ab. Was verspricht sich die Feuerwehr davon?
2. Warum kann ein Wald, der auf solche Art gelöscht wurde jederzeit wieder anfangen
zu brennen?
3. Welche Rolle spielt eigentlich Wind beim Wiederentfachen eines Waldbrandes?
4. Welchem Einﬂuss hat die Form eines Holzstücks auf seine Entzündung am Lagerfeuer?
(Vergleiche dazu einen Ast und einen Baumstamm)
3.10 Verschiedene Formen der Oxidation
Du weißt nun schon sehr vieles über Verbrennungen. Zum Beispiel weißt Du, dass es immer
Oxidationen sind. Es gibt aber drei verschiedene Arten von Oxidationen. Die „Stille Oxidation“, die Verbrennung und die explosionsartige Oxidation. Hier lernst Du sozusagen die
„Geschwister“ der Verbrennung kennen.
52
Verschiedene Formen der Oxidation
3.10.1 Stille Oxidation (langsam)
Abb. 26
Erforschen des Verbrennungsvorgangs3
Versuchsbeschreibung
Stahlwolle befeuchten und in ein Reagenzglas stecken, welches auf den Kopf stehend in ein
Wasserglas gestellt wird
Beobachtung
• Wasser steigt im Reagenzglas nach oben
• Eisenwolle verfärbt sich rotbraun
• Glimmspan erlischt im Restgas
Schlussfolgerung
Es hat sich oﬀensichtlich, durch den Sauerstoﬀ und die Luftfeuchtigkeit in dem Reagenzglas
Rost gebildet. Der korrekte Ausdruck dafür ist Eisenoxid. Es fand also eine Oxidation statt,
ohne dass eine Flamme zu sehen war.
Sauerstoﬀ + Eisen −→ Eisenoxid + Energie (=Rostvorgang)
Deﬁnition
Langsam verlaufende Reaktionen mit Sauerstoﬀ nennt man stille Oxidationen.
Weitere Beispiele für stille Oxidationen: Rosten, matt werden von Kupfer, w:Zellatmung16
Zusatzinformation
Durch die stille Oxidation von Eisen (= Rosten, =Korrosion) entstehen dem Staat jährlich
Schäden von mehr als 50 Mrd. Euro. Der Hauptteil des Schadens entsteht durch rostende
Autos, Brücken, Leitplanken und Bauwerke. Man kann Eisen aber veredeln, so dass es nicht
mehr so stark korrodiert. Durch Zusätze von anderen Metallen, wie Nickel und Entzug von
16
http://de.wikipedia.org/wiki/Zellatmung
53
Erforschen des Verbrennungsvorgangs
Kohlenstoﬀresten, die sich bei der Herstellung eingeschlichen haben, wird die Qualität viel
besser. Eisen, welches so bearbeitet wurde nennt man w:Stahl17 .
3.10.2 Verbrennung (mittelschnell)
Da Du Verbrennungen nun schon gut kennst, kommt hier nur eine kleine Zusammenfassung:
Deﬁnition
Die Verbrennung ist eine unter Licht und Wärmeentwicklung rasch ablaufende Oxidation. Das Leuchten wird durch glühenden Feststoﬀ hervorgerufen.
Im Unterricht hast Du schon z. B. Phosphor, Kerzenwachs, Holz, Papier, Schwefel und
Metalle verbrannt. Zur w:Verbrennung (Chemie)18 gibt es auch einen Wikipedia Artikel.
3.10.3 3. Explosionsartige Oxidationen (sehr schnell)
Explosionen kennst Du von Silvester. Die Explosion ist eine Reaktion, die durch die Zündung
fein verteilter Brennstoﬀe zustande kommt. Die Folge ist eine sehr schnelle, plötzlich verlaufende Kraftentfaltung, die auf dem Ausdehnungsbestreben von plötzlich erhitzten Gasen
und Dämpfen beruht.
Versuchsbeschreibung
Der Lehrer zeigt Dir die Entzündung von Bärlappsporen.
width=30% ! dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler: Vorlage: BBeobachtung
Explosion mit Stichﬂamme
dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler: Vorlage: SSchlussfolgerung
Die Bärlappsporen werden von der Kerzenﬂamme entzündet. Sie oxidieren explosionsartig.
Deﬁnition
Die Oberﬂächenvergrößerung führt zu einer größeren Zahl an reaktionsbereiten Teilchen.
Die Reaktionsgeschwindigkeit kann dabei so groß werden, dass es zur Explosion kommt.
3.10.4 Zusatzinfos: Mehlstaubexplosionen in Mühlen
w:Staubexplosion19
Gemische aus Staub und Luft sind explosionsfähig, wenn sie aus brennbaren organischen
oder anorganischen Stäuben wie z. B. Kohle-, Mehl-, Holz-, Kakao-, Kaﬀee-, Stärke-,
17
18
19
54
http://de.wikipedia.org/wiki/Stahl
http://de.wikipedia.org/wiki/Verbrennung%20%28Chemie%29
http://de.wikipedia.org/wiki/Staubexplosion
Gesetz von der Erhaltung der Masse und der Energie
Aluminium- oder Cellulosestaub bestehen. Entscheidend für die Zündfähigkeit ist der Sauerstoﬀanteil in der Luft und der Zerteilungsgrad des Brennstoﬀes. Ein Funke kann für
die Zündung ausreichen. Besonders gefährlich ist dies in Mühlen, da dort immer etwas
Mehlstaub aufgewirbelt wird. Ein Funke reicht aus um unter Umständen eine schreckliche
Explosion herbeizuführen.
So kam es am 6.2.1979 in der Rolandmühle in Bremen zur größten Mehlstaubexplosion
Deutschlands. Es starben 14 Menschen und 18 weitere wurden verletzt. Der Schaden an der
Mühle und den Nachbarhäusern betrug etwa 50 Millionen Euro.
Zusammenfassung
Du kennst nun drei Arten von Oxidationen:
• die langsame stille Oxidation
• die mittelschnelle Verbrennung
• die sehr schnelle Explosion
3.10.5 Aufgaben
1. Kann man stille Oxidationen beobachten?
2. Was denkst Du, warum Explosionen im Chemieunterricht als sehr gefährlich betrachtet werden und warum alle explosiven Stoﬀe Sicherheitsschilder tragen müssen?
3. Der Verkauf von Silvesterknallern aus osteuropäischen Ländern ist zum Teil in
Deutschland verboten, was meinst Du, warum das so ist?
4. Bei der Oxidation von Eisen wird Energie frei. Unterschieden sich die Energiebeträge
bei den drei Oxidationsformen? Vergleiche dazu die Verbrennung von etwas Eisen mit
der gleichen Menge an rostendem Eisen (z. B. am Fahrrad).
5. Informiere Dich zu den Konsequenzen der täglich Millionenfachen Verbrennungen auf unserem Planeten. Gute Suchbegriﬀe sind: w:Luftverschmutzung20 ,
w:Treibhauseﬀekt21 , w:Ozonloch22 , w:Smog23
3.11 Gesetz von der Erhaltung der Masse und der Energie
3.11.1 Massenerhaltung
Was geschieht mit der Masse der Reaktionsteilnehmer bei einer chemischen Reaktion?
20
21
22
23
http://de.wikipedia.org/wiki/Luftverschmutzung
http://de.wikipedia.org/wiki/Treibhauseffekt
http://de.wikipedia.org/wiki/Ozonloch
http://de.wikipedia.org/wiki/Smog
55
Erforschen des Verbrennungsvorgangs
Abb. 27
Erforschen des Verbrennungsvorgangs6
Versuchsbeschreibung
In einen Rundkolben werden Streichholzspitzen gefüllt. Er wird mit einem Luftballon geschlossen und gewogen.
Beobachtung
Luftballon dehnt sich aus und zieht sich wieder zusammen
• Zu Beginn der Reaktion: mA = 50,41 g
• Am Ende der Reaktion: mE = 50,41 g
Schlussfolgerung
Das Gas dehnt sich bei Erwärmung aus und kontrahiert beim Abkühlen.
Deﬁnition
→ Die Gesamtmasse der Reaktionspartner hat sich nicht geändert.
w:Antoine Lavoisier24 (1743 - 1794): Gesetz von der Erhaltung der Masse:
Rien ne se perd, rien ne se crée
24
56
http://de.wikipedia.org/wiki/Antoine%20Lavoisier
Energieerhaltung bei chemischen Reaktionen
Deﬁnition
3.11.2 Energieerhaltung
w:Albert Einstein25 (14.3. 1879 - 18.4.1955):
Umwandlung von Energie in Masse und von Masse in Energie ist möglich.
E = m · c2 (c = Lichtgeschwindigkeit = 300.000 km/s)
Deﬁnition
Wird Energie frei, tritt ein unwägbar kleiner Massenverlust auf. Wird Energie investiert,
tritt Massenzunahme auf. Dieses kann allerdings mit herkömmlichen Waagen nicht gemessen
werden.
3.12 Energieerhaltung bei chemischen Reaktionen
Diesen Sachverhalt kennt man auch als w:Thermodynamik#Erster Hauptsatz26 .
Theoretische Vorstellung
Versuchsbeschreibung
Nasses CaO wird getrocknet. Anschließend wird wieder Wasser zugegeben.
Beobachtung
Es wird Energie zum Entfernen des Wassers benötigt. Die Zugabe von Wasser setzt Energie
frei.
Versuchsbeschreibung
Wasser, CaO und Becherglas und Thermometer werden gewogen. Dann wird das Wasser
zugegeben. Die Temperatur steigt.
Woher stammt die freiwerdende Energie (Temperatur)?
Einstein: E = m · c2 . Wenn c eine Konstante ist und nach dem ersten Gesetz die Masse
sich nicht ändert, so muss auch die Gesamtenergie bei chemischen Reaktionen unverändert
bleiben
→ Wenn Benzin verbrennt und Energie frei wird, muss sie schon vorher enthalten sein.
→ Diese Energie nennt man innere Energie.
25
26
http://de.wikipedia.org/wiki/Albert%20Einstein
http://de.wikipedia.org/wiki/Thermodynamik%23Erster%20Hauptsatz
57
Erforschen des Verbrennungsvorgangs
3.13 Hier sind einige Aufgaben zur Überprüfung Deines
Wissens
1. Was brennt eigentlich, wenn du eine Kerze angezündet hast? Beschreibe, welche Aufgabe der Docht hat.
2. Die folgenden Sätze beschreiben, was beim Anzünden einer Kerze geschieht. Leider
sind sie durcheinander geraten. Wie muss die richtige Reihenfolge lauten?
a) Am Docht beﬁndet sich festes Wachs. Es brennt nicht.
b) Der Wachsdampf entzündet sich und beginnt zu brennen.
c) Das ﬂüssige Wachs steigt im Docht nach oben (ähnlich wie Tinte im Löschpapier).
d) Der Wachsdampf erreicht seine Entzündungstemperatur.
e) Wenn man eine Streichholzﬂamme an den Docht hält, wird das Wachs erhitzt und
schmilzt.
f) Das Wachs beginnt zu sieden und verdampft.
3. Vergleiche die Flammen von Brenner und Kerze.
4. Es müssen drei Voraussetzungen erfüllt sein, damit etwas brennt. Schreibe sie auf.
5. Beim Gas genügt ein kleiner Funke, um es zu entzünden. Dazu reicht eine leeres
Feuerzeug, welches selbst kein Gas mehr enthält.
6. Könntest du auch eine Kerze mit einem leerem Feuerzeug entzünden? Begründe.
7. Manche Stoﬀe dürfen nur in einem heißen Wasserbad erhitzt werden. Welche Stoﬀe
könnten das deiner Meinung nach sein? Begründe Deine Meinung.
8. Stelle die Reaktionsgleichung der Verbrennung von a) Schwefel, b) Kohlenstoﬀ, c)
einem beliebigem Metall auf
9. Wozu dient Kalkwasser? Wie stellt man es her?
10. Schlage einen Versuchsaufbau vor, der beweist, dass man Kohlenstoﬀdioxid ausatmet.
11. Was ist eine Oxidation? Nenne die verschiedenen drei Formen der Oxidation? Kann
man stille Oxidationen beobachten?
12. Was denkst Du, warum Explosionen im Chemieunterricht als sehr gefährlich betrachtet werden und warum alle explosiven Stoﬀe Sicherheitsschilder tragen müssen?
13. Der Verkauf von Silvesterknaller aus osteuropäischen Ländern ist zum Teil in Deutschland verboten, was meinst Du warum das so ist?
14. Informiere Dich zu den Konsequenzen der täglich millionenfachen Verbrennungen auf
unserem Planeten. Gute Suchbegriﬀe sind Luftverschmutzung, Treibhauseﬀekt, Ozonloch, Smog.
15. Um welchen Faktor verbrennen Stoﬀe in reinem Sauerstoﬀ schneller als in Luft? Nenne
Beispiele aus dem UR.
16. Erkläre den Begriﬀ Nichtmetalloxid und ordne den drei Aggregatzuständen dir bekannte Nichtmetalloxide zu.
17. Informiere dich über den Stoﬀ Kohlenmonoxid und seine Gefahren.
18. Was ist der Unterschied zwischen Sauerstoﬀ und Luft? Wie kann man entstehenden
Sauerstoﬀ nachweisen?
19. Ist Luft ein Element? Schlage einen Versuchsaufbau vor, mit dem dies gezeigt werden
kann.
20. Verbrennt ein Stückchen Kohle schneller in Luft, Stickstoﬀ oder reinem Sauerstoﬀ?
21. Bei einem Waldbrand ﬂiegen mit Wasser beladene Hubschrauber über das Feuer und
werfen das Wasser ab. Was verspricht sich die Feuerwehr davon? Warum kann ein
58
Hier sind einige Aufgaben zur Überprüfung Deines Wissens
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
Wald, der auf solche Art gelöscht wurde jederzeit wieder anfangen zu brennen? Welche
Rolle spielt eigentlich Wind beim wieder entfachen eines Waldbrandes?
Was versteht man unter der Entzündungstemperatur? Nenne ein Beispiel, wo die
Entzündungstemperatur eine wichtige Rolle spielt
Welchem Einﬂuss hat die Form eines Holzstücks auf seine Entzündung am Lagerfeuer?
(Vergleiche dazu einen Ast und einen Baumstamm)
Ein Schüler sagt: „eine Verbrennung ist eine Oxidation, aber nicht jede Oxidation ist
eine Verbrennung“. Hat der Schüler damit recht?
Ordne die folgenden Stoﬀe nach ihrer Entzündungstemperatur: Streichholz, Benzindampf, Holzkohle, Stroh. Was ist ein Metalloxid? Erkläre und nenne drei Beispiele
(Was ist ein Nichtmetalloxid?)
Wozu verwendet man Metalloxide?
Ist die Verbrennung von Kupfer eine Oxidation? Begründe Deine Meinung.
Erkläre den Unterschied zwischen Element und Verbindung.
Erkläre die Vereinigung von Eisen und Schwefel und die Zersetzung von Quecksilberoxid.
Auf dem Herd hat eine Bratpfanne angefangen zu brennen. Was ist passiert? Wie
kann sie gelöscht werden?
In einem Grill brennt Grillkohle. Liegt eine chemische Reaktion vor? Begründe Deine
Meinung und stelle die Reaktionsgleichung auf.
32.
Abb. 28
Erforschen des Verbrennungsvorgangs
In einem mit Wasser gefüllten Becherglas steht ein Reagenzglas mit der Öﬀnung nach
unten. Es enthält feuchte Eisenwolle. Lässt man den Versuch zwei Tage stehen, steigt
das Wasser im Reagenzglas an. Erkläre, warum und um wie viel Prozent das Wasser
steigt.
59
4 Säuren und Laugen
4.1 Säuren und Laugen
4.1.1 Was sind Säuren und Laugen?
• Die erste Säure, die man schon im Altertum kannte, war Essig. Im Mittelalter waren
weitere Säuren bekannt (zum Beispiel Salz-, Salpeter- und Schwefelsäure).
• Salzsäure und Essigsäure kann man am Geruch erkennen, jedoch wird von einer Geruchsprobe dringend abgeraten!
• Die Wirkung der Säuren: Säuren ätzen! Sie greifen besonders unedle Metalle und Kalk
an. Aber auch Kleidung und die Haut sind bei Kontakt in Gefahr.
• Die „Gegenspieler der Säuren“ sind die Laugen. Sie sind ebenfalls ätzend und greifen viele
andere Stoﬀe an, die von Säuren nicht unbedingt stark angegriﬀen werden (zum Beispiel
Haare, Haut und Fett).
• Natriumhydroxid-Lösung und Kaliumhydroxid-Lösung sind bekannte Laugen.
• Laugen sind genauso gefährlich, nur etwas weniger bekannt als Säuren. Sie greifen viele
natürliche Stoﬀe an, aber i. A. keine Metalle - eine Ausnahme ist Aluminium. Deshalb
entfernt ein Abﬂussreiniger, wie zum Beispiel „Abﬂussfrei“ auch Haare und Fette, aber
schädigt die Rohre nicht.
• Säure und Laugen kann man verdünnen. Gibt man zu Säure die gleiche Menge (oder
mehr) Wasser hinzu, so ist die Wirkung deutlich schwächer
• Vorsicht! Verätzungen können immer passieren. Am besten die Stelle sofort mit Wasser
abspülen. Verätzte Kleidung muss ausgezogen werden. Wenn etwas in die Augen kommt:
gut auswaschen und sofort zum Arzt!
• Laugen liegen oft als Feststoﬀ vor, den man noch in Wasser auﬂösen muss.
• Es ist ein weit verbreitetes Vorurteil, dass Säuren und Laugen immer Flüssigkeiten sind.
Wahr ist vielmehr, dass es auch bei Raumtemperatur feste und gasförmige Säuren gibt.
Ein bekannter Vertreter einer festen Säure ist das Vitamin C Pulver (Vorsicht, es greift
die Zähne an, wenn es nicht mit viel Wasser verdünnt ist). Eine typisch gasförmige Säure
ist die Chlorwasserstoﬀsäure (HCl).
Deﬁnition
Der Mensch kann den Säuregrad einer verdünnten Lösung nicht wahrnehmen, deshalb
brauchen wir im Labor ein Hilfsmittel um den Säuregrad zu bestimmen ⇒ Indikatoren
61
Säuren und Laugen
4.1.2 Indikatoren
w:Indikator (Chemie)1 Indikatoren sind Farbstoﬀe, die in Säuren und Laugen jeweils eine
andere Farbe zeigen. In der Schule wird meist nur w:Universalindikator2 benutzt.
Abb. 29
Aufgaben
1. Was passiert wohl, wenn man die saure Universalindikatorlösung mit der neutralen
zusammenkippt? Welche Farbe wird sich zeigen?
2. Warum passiert das ?
3. Lies im Internet über die Eigenschaften und die Verwendung der wichtigsten Säuren
nach!
4.1.3 Wichtige Säuren
Eine Auswahl wichtiger Säuren zur Recherche bei Wikipedia: w:Schwefelsäure3 ,
w:Salzsäure4 , w:Phosphorsäure5 , w:Salpetersäure6 , w:Kohlensäure7 , w:Essigsäure8 ,
w:Zitronensäure9
4.1.4 Formeln
Bei Säuren wird das Wasserstoﬀatom H rot gefärbt (⇒ Säuren haben den sauren
Wasserstoﬀ).
1
2
3
4
5
6
7
8
9
62
http://de.wikipedia.org/wiki/Indikator%20%28Chemie%29
http://de.wikipedia.org/wiki/Universalindikator
http://de.wikipedia.org/wiki/Schwefels%C3%A4ure
http://de.wikipedia.org/wiki/Salzs%C3%A4ure
http://de.wikipedia.org/wiki/Phosphors%C3%A4ure
http://de.wikipedia.org/wiki/Salpeters%C3%A4ure
http://de.wikipedia.org/wiki/Kohlens%C3%A4ure
http://de.wikipedia.org/wiki/Essigs%C3%A4ure
http://de.wikipedia.org/wiki/Zitronens%C3%A4ure
Säuren und Laugen
Bei Laugen wird die w:Hydroxyl10 gruppe OH blau gefärbt (⇒ Laugen sind wässrige
Hydroxidlösungen).
Hier sind die wichtigsten Säuren und ihre Säurereste, Du solltest sie auswendig wissen!
Die wichtigsten Säuren und ihre Säurereste
Säure
HF
Fluorwasserstoﬀ(säure)
HCl
Chlorwasserstoﬀ(säure)
HBr
Bromwasserstoﬀ(säure)
HI
Iodwasserstoﬀ(säure)
H2 S
Schwefelwasserstoﬀ(säure)
Säurerest
FClBrIS2-
Fluorid
Chlorid
Bromid
Iodid
Sulfid
HNO3
H2 SO4
H2 CO3
H3 PO4
Salpetersäure
Schwefelsäure
Kohlen(stoﬀ )säure
Phosphorsäure
NO3 SO4 2CO3 2PO4 3-
Nitrat
Sulfat
Carbonat
Phosphat
HNO2
H2 SO3
H3 PO3
Salpetrigesäure
Schweﬂigesäure
Phosphorigesäure
NO2 SO3 PO3 -
Nitrit
Sulfit
Phosphit
Hier folgen die wichtigsten Laugen in der Anorganik. Du solltest sie kennen.
Die wichtigsten Laugen
Lauge
NaOH
Natriumlauge
KOH
Kaliumlauge
Ca(OH)2
Calciumlauge = Kalkwasser
Hinweise
• statt Natriumlauge sagt man Natronlauge.
• statt Kaliumlauge sagt man Kalilauge.
Schreibweisen des Hydroxidions
Häuﬁg genutzte Schreibweisen für Hydrox-
Abb. 30
idionen (ohne Darstellung der freien Elektronenpaare).
10
http://de.wikipedia.org/wiki/Hydroxyl
63
Säuren und Laugen
Schreibweisen für Hydroxidionen einschließlich
Abb. 31
der sechs freien Elektronen (Punkte) bzw. drei Elektronenpaare (Striche) am Sauerstoﬀatom
(hier jeweils blau markiert).
64
Säuren und Laugen
4.1.5 Deﬁnitionen nach Svante Arrhenius (1859-1927)
Abb. 32
Der Chemiker Svante Arrhenius
w:Svante Arrhenius11 wurde am 19. 2.1859 in Uppsala geboren und starb am 2.10.1927
in Stockholm. Der schwedische Physiker und Chemiker forschte auf dem Gebiet der elektrolytischen Dissoziation (z.B. dem Zerfall von Salzen und Säuren in Wasser). In seiner
Doktorarbeit beschäftigte er sich mit der Leitfähigkeit von Salz- und Säurelösungen. Sie
wurde jedoch wegen der vielen neuen Ideen der damaligen Zeit bei anderen Chemikern
11
http://de.wikipedia.org/wiki/Svante%20Arrhenius
65
Säuren und Laugen
nicht anerkannt. Erst als der w:Wilhelm Ostwald12 sich positiv dazu äußerte, wurde der
Wert seiner Forschungen erkannt.
Er erforschte auch den Einﬂuss des Kohlenstoﬀdioxids für das Klima der Erde und untersuchte als erster den w:Treibhauseﬀekt13 . 1903 erhielt Svante Arrhenius als erster Schwede
den Nobelpreis für Chemie.
Er stellte für Säuren folgende Deﬁnition auf
Deﬁnition
(In der 8. Klasse sagen wir statt „Wasserstoﬀ - Ionen“ besser „Protonen“)
4.2 Reaktionen der Oxide mit Wasser I - Säurebildung in
zwei Schritten
Ziel dieser beiden Versuche ist es, Schwefelsäure bzw. Kohlensäure herzustellen. Dazu wird
das jeweilige Element in reinem Sauerstoﬀ verbrannt. Es bilden sich so genannte Nichtmetalloxide.
Damit nichts von den entstehenden Oxiden verloren geht, ﬁnden beide Versuche in geschlossenen w:Rundkolben14 statt.
Versuch 1:
Beobachtung 1:
Verbrennen von Schwefel
&
Abb. 33 Versuchsaufbau Verbrennen von
Schwefel im Rundkolben
• Schwefel verbrennt mit
blauer Flamme
• Rauchbildung
Kohlenstoﬀ mit reinem
Sauerstoﬀ
Abb. 34 Verbrennen
von Schwefel im Rundkolben
• Kohle verbrennt
• verglüht
Schlussfolgerung 1:
Versuch 2
12
13
14
66
• Entstehung von Schwe• Entstehung von Kohfeldioxid
lenstoﬀdioxid
Schwefel + Sauerstoﬀ →
Kohlenstoﬀ + Sauerstoﬀ
Schwefeldioxid + E
→ Kohlenstoﬀdioxid + E
Im zweiten Schritt gibt man nun Wasser zu den neu entstandenen Oxiden. Wenn
sich die Oxide in Wasser lösen, bildet sich Säure. Zum Beweis kann man anschließend einigen Tropfen Universalindikator zufügen.
http://de.wikipedia.org/wiki/Wilhelm%20Ostwald
http://de.wikipedia.org/wiki/Treibhauseffekt
http://de.wikipedia.org/wiki/Rundkolben
Reaktionen der Oxide mit Wasser II - in zwei Schritten
Beobachtung 2:
Schlussfolgerung 2:
Abb. 35 Versuchsaufbau Lösen von Schwefeldioxid in Wasser und
Einfärben mit Universalindikator im Rundkolben
starke Rotfärbung
• Schwefeldioxid löst
sich in Wasser und
bildet Schweﬂige Säure
Schwefeldioxid + Wasser
→ Schweﬂige Säure + E
Abb. 36 Versuchsaufbau Lösen von Schwefeldioxid in Wasser und
Einfärben im Rundkolben
geringe Rotfärbung
• Kohlendioxid löst sich
in Wasser und bildet
Kohlensäure
Kohlenstoﬀdioxid +
Wasser → „Kohlensäure“
+E
Deﬁnition
Nichtmetalloxide (z.B. Kohlenstoﬀdioxid) bilden mit Wasser eine Säure.
4.2.1 Aufgaben
1. Das Wort Säure und alle Säuren sind zu unterstreichen, das Wort Nichtmetall und
alle Nichtmetalle sind in einer anderen Farbe zu unterstreichen.
2. Nenne 5 Nichtmetalle. Wie unterscheiden sie sich von den Metallen? Was unterscheidet
Nichtmetalloxide von Nichtmetallen?
3. Wie kann man eine Säure bilden?
4. In Cola ist viel Phosphorsäure enthalten. Wie kann eine Getränkeﬁrma
w:Phosphorsäure15 herstellen?
5. Warum erlischt die Flamme im Rundkolben nicht sofort? Wie lange läuft die Verbrennung eigentlich?
6. Ein Schüler schreibt im Test: Zum Herstellen von Schwefelsäure nimmt man Schwefel
und mischt ihn mit Wasser. Warum ist das falsch?
4.3 Reaktionen der Oxide mit Wasser II - in zwei Schritten
w:Metalloxide16 sind chemische Verbindungen eines Metalls mit Sauerstoﬀ. Viele Metalloxide dienen als Erze zur Metallgewinnung. Dabei wird dem Metalloxid der Sauerstoﬀ entzogen
und so das reine Metall gewonnen. Metalle können auch wieder zu Metalloxiden reagieren.
Ein weit verbreitetes Problem ist Rost (Eisenoxid), welcher aus wertvollem Eisen entsteht.
15
16
http://de.wikipedia.org/wiki/Phosphors%C3%A4ure
http://de.wikipedia.org/wiki/Metalloxide
67
Säuren und Laugen
In diesem Versuch dienen die Metalloxide als Ausgangsstoﬀ zur Laugenherstellung. Doch
erst mal muss man aus dem Element ein solches Metalloxid herstellen:
Versuchsaufbau 1:
Beobachtung 1:
Schlussfolgerung 1:
Verbrennen von Magnesium über einem Becherglas
Es entsteht eine helle, gleißende Flamme; weißer Feststoﬀ (Rauch),
Es ist das weiße Pulver Magnesiumoxid entstanden
Magnesium + Sauerstoﬀ −→ Magnesiumoxid + Energie
Versuchsaufbau 2:
Beobachtung 2:
Schlussfolgerung 2:
Anschließend wird das Produkt mit Wasser gemischt
Magnesiumoxid löst sich schlecht in Wasser,
nach Zugabe des Wassers kann man Universalindikatorfarbe hinzugeben. Sie zeigt die Farbe
blau.
Es ist Magnesiumlauge entstanden.
Magnesiumoxid + Wasser −→ Magnesiumlauge + Energie
Deﬁnition
Wenn sich Metalloxide in Wasser lösen, reagieren sie mit Wasser zu Hydroxiden.
Die wässrigen Lösungen von Hydroxiden bezeichnet man als Laugen.
4.3.1 Aufgaben:
1. Das Wort Metalloxid und alle Metalloxide sowie alle Laugen werden wieder unterstrichen.
2. Was unterschiedet Metalloxide von Metallen?
3. Wo ﬁndet man im w:Periodensystem der Elemente17 die Metalle und wo die Nichtmetalle?
4. Wozu werden Metalloxide verwendet?
5. Beschreibe allgemein: Wie stellt man eine Lauge her?
6. Was entsteht bei der Verbrennung von Natrium?
7. Eine wichtige Lauge ist das so genannte w:Kalkwasser18 . Der richtige Name ist Calciumhydroxid. Kannst Du beschreiben, wie man es herstellen kann?
8. Wozu wird w:Calciumoxid19 verwendet?
17
18
19
68
http://de.wikipedia.org/wiki/Periodensystem%20der%20Elemente
http://de.wikipedia.org/wiki/Kalkwasser
http://de.wikipedia.org/wiki/Calciumoxid
Der pH-Wert
4.4 Der pH-Wert
w:pH-Wert20 Die Wirkung einer Säure ist nicht immer gleich. Es gibt starke Säuren wie
H2 SO4 und schwache Säuren wie die Zitronensäure. Außerdem sind auch starke Säuren in
ihrer Wirkung schwach, wenn man sie mit viel Wasser verdünnt. Das gilt entsprechend auch
für Laugen. Um die Wirkung einer Säure oder Lauge beurteilen zu können, braucht man
eine passende Maßeinheit.
Deﬁnition
→ Deﬁnition für die 8. und 9. Klasse: Der pH-Wert misst die Stärke der Wirkung von
Säuren und Laugen, also wie sauer oder alkalisch eine Substanz reagiert.
Der pH-Wert wird mit einem Messgerät oder mit so genanntem Indikatorpapier gemessen.
Auf dessen Farbskala ﬁndet man die Werte von 0-14. Den mittleren Wert (7) misst man bei
neutralen Lösungen, wie z. B. reinem Wasser. Die Werte kleiner als 7 sind sauer (Säure),
die Werte größer als 7 sind alkalisch (Lauge).
• pH < 7 entspricht einer sauren Lösung
• pH ≈ 7 entspricht einer neutralen Lösung
• pH > 7 entspricht einer alkalischen Lösung
Hier einige Beispiele von pH-Werten bei Alltagsstoﬀen:
Abb. 37
Das Besondere an der pH-Wert-Skala ist, dass der Unterschied zwischen einem pH-Wert und
dem nächsten das 10-fache beträgt. Das bedeutet, dass z. B. eine Säure mit pH 2 zehnmal
so sauer wie eine Säure mit pH 3 ist und hundertfach so sauer ist wie eine mit pH 4 ist.
Beachte, dass man das „p“ des pH-Werts klein schreibt!
Zusatzinformation
20
http://de.wikipedia.org/wiki/pH-Wert
69
Säuren und Laugen
4.4.1 Aufgaben
1. Was vermutest Du, warum man den Säuregrad überhaupt messen muss? Reicht nicht
eine Bezeichnung wie sauer oder neutral aus?
2. Warum sind Aquarienliebhaber so sehr am pH-Wert ihres Wasser interessiert?
3. Mit der wievielfachen Menge Wasser muss man einen Liter Essig verdünnen, damit er
nicht mehr sauer ist (pH ≈ 7)?
4.5 Säuren greifen unedle Metalle an
Abb. 38
70
Versuchsaufbau Reaktion Metall und Säure
Säuren greifen unedle Metalle an
4.5.1 Magnesium
Versuchsbeschreibung
Magnesium wird mit verdünnter Salzsäure (HCl) gemischt
Beobachtung
Es entsteht ein brennbares Gas, das Mg löst sich auf und es bildet sich Energie in Form von
Wärme (exotherme Reaktion).
Schlussfolgerung
Mg reagiert zu einem Salz und Wasserstoﬀ
71
+
+
Magnesium
Mg
72
2HCl
Salzsäure
Wasserstoﬀ
H2
−→
−→
+
+
Magnesiumsalz
MgCl2
+
+
Energie
Energie
Säuren und Laugen
Säurestärke
4.5.2 Kupfer
Versuchsbeschreibung
Der Versuch wird mit einem Centstück aus Kupfer wiederholt.
Beobachtung
keine Reaktion
Schlussfolgerung
Kupfer ist im Gegensatz zu Magnesium ein edleres Metall. Es wird von verdünnter Salzsäure
nicht angegriﬀen.
4.6 Säurestärke
4.6.1 konzentrierte Säure
Versuchsbeschreibung
Mg-Band wird mit Essigsäure und mit konzentrierter HCl versetzt (Lehrerversuch!)
Beobachtung
Mit konzentrierter Salzsäure ist die Reaktion viel heftiger, brennbares Gas entsteht
Schlussfolgerung
⇒HCl ist eine stärkere Säure, Essigsäure ist eine schwache Säure
Magnesium + Säure −→ Salz + Wasserstoﬀ + Energie
4.6.2 schwach konzentrierte Säure
Versuchsbeschreibung
Die Säure HCl wird mit viel Wasser verdünnt und in Mg eingeworfen. Der Versuch wird
mit Essigsäure wiederholt
Beobachtung
Beide Reaktionen laufen ähnlich langsam ab
Schlussfolgerung
Man kann Säuren in ihrer Wirkung abschwächen. Man kann also starke Säuren mit Wasser verdünnen, ihre Wirkung ist dann weniger stark. Dennoch bleiben sie starke Säuren.
(Vergleich mit schnellem Sportwagen, der in der Stadt auch langsam fährt)
Deﬁnition
Nicht alle Säuren sind gleich stark oder gleich ätzend.
Man unterscheidet grob gesagt zwischen starken und schwachen Säuren.
73
Säuren und Laugen
starke Säuren
Name
Salzsäure
Salpetersäure
w:Flusssäure21
Schwefelsäure
mittelstarke Säuren
Phosphorsäure
schwache Säuren
Name
Kohlensäure
Zitronensäure (E330)
Essigsäure
w:Ameisensäure22
w:Äpfelsäure23 (E296)
w:Ascorbinsäure24 (E300)
Formel
HCl
HNO3
HF
H2 SO4
H3 PO4
Formel
H2 CO3
Diese Formeln sind leider noch zu
kompliziert. Du lernst sie in den
nächsten Jahren.
4.7 Neutralisation
w:Neutralisation (Chemie)25 ist die Reaktion zwischen Säuren und Basen. Dabei bildet sich
Wasser. Die übrigen Ionen bilden ein Salz. Eine Säure und eine w:Base (Chemie)26 . Die
Neutralisation ist daher nicht gleichzusetzen mit dem Erreichen des Neutralpunktes, der
dem pH-Wert 7 entspricht.
Demonstration von Universalindikator in drei Bechergläsern:
21
22
23
24
25
26
74
http://de.wikipedia.org/wiki/Flusss%C3%A4ure
http://de.wikipedia.org/wiki/Ameisens%C3%A4ure
http://de.wikipedia.org/wiki/%C3%84pfels%C3%A4ure
http://de.wikipedia.org/wiki/Ascorbins%C3%A4ure
http://de.wikipedia.org/wiki/Neutralisation%20%28Chemie%29
http://de.wikipedia.org/wiki/Base%20%28Chemie%29
Neutralisation
Abb. 39
Bechergläser mit Universalindikator und Säure, Base und neutrale Lösung
Gibt es eine Möglichkeit, Säuren unschädlich zu machen?
Versuchsbeschreibung
Zu Salzsäurelösung, die mit Universalindikator gefärbt ist, wird Natronlauge (=Natriumhydroxid in Wasser aufgelöst) zugetropft.
Beobachtung
Der Indikator färbt sich allmählich grün.
Schlussfolgerung
Salzsäure und Natronlauge haben zu Wasser reagiert.
Deﬁnition
Gibt man zu einer Lauge eine bestimmte Menge an Säure hinzu, so erhält man eine
neutrale, nicht ätzende Flüssigkeit.
→ Lauge und Säure sind Gegenspieler. In gleicher Konzentration zusammengefügt, heben
sie sich in ihrer Wirkung auf.
4.7.1 Bei der Neutralisation muss man folgendes beachten:
•
•
•
•
27
tropfenweise Zugabe, zum Beispiel mit einer w:Pipette27
ständiges Rühren
geduldig sein
aufpassen da Säuren und Laugen ätzend sind
http://de.wikipedia.org/wiki/Pipette
75
Säuren und Laugen
4.8 Quantitative Neutralisation
Bei der Neutralisation entsteht ein weiterer Stoﬀ neben Wasser. Um diesen zu sehen, muss
eine Neutralisation durchgeführt und das Wasser eingedampft werden. Der Rückstand wird
dann untersucht.
Nur, wie neutralisiert man ohne Indikator?
Versuchsbeschreibung
Zu 15 ml Natronlauge wird solange aus einer w:Bürette28 Salzsäure zugetropft, bis es zum
Farbumschlag kommt. Die Menge wird notiert. Der Versuch wird ohne Indikator wiederholt.
Beobachtung
Für 15 ml Natronlauge werden .... ml Salzsäure benötigt
Abb. 40
Versuchsaufbau Titration
Versuchsbeschreibung
Die neutrale Lösung (ohne Indikator) aus V1 wird eingedampft.
Beobachtung
Es bildet sich ein weißer Niederschlag, Dampf steigt auf
28
76
http://de.wikipedia.org/wiki/B%C3%BCrette
Rotkohl, der Indikator aus der Küche
Schlussfolgerung
Natronlauge und Salzsäure haben zu Kochsalz und Wasser reagiert
NaOH + HCl −→H2 O+ NaCl + Energie
Deﬁnition
Allgemeine Regel für jede Neutralisation: Lauge + Säure reagieren zu Salz + Wasser +
E
Deﬁnition
Das entstandene Salz ist in der Regel im Wasser aufgelöst und kann durch Eindampfen
rein gewonnen werden.
4.8.1 Aufgaben
1. Warum muss der Versuch zweimal durchgeführt werden?
2. Was geben Ärzte zu trinken, wenn jemand versehentlich Säure getrunken hat?
3. Viele Menschen leiden an w:Sodbrennen29 , also dem Aufsteigen von einem Übermaß
an Magensäure. Übliche Medikamente enthalten Calciumoxid. Kannst Du erklären
warum?
4. Kannst Du die Reaktionsgleichungen für folgende Neutralisationen erstellen?
a) Natronlauge mit Schwefelsäure
b) Kalilauge mit Phosphorsäure
c) Kalkwasser mit Phosphorsäure
5. Benenne die bei den Aufgaben entstehenden Salze
4.9 Rotkohl, der Indikator aus der Küche
In der Chemie versteht man unter einem Indikator einen Stoﬀ, der zur Überwachung einer
chemischen Reaktion beziehungsweise eines Zustandes dient. Häuﬁg wird die Änderung
durch eine Farbveränderung angezeigt.
Alltägliche Säure-Base-Indikatoren
Auch Rotkohlsaft kann als Säure-Lauge Indikator verwendet werden. Rotkohlsaft kann dabei
Farben von rot = sauer bis blau = alkalisch annehmen (in noch alkalischerem Milieu wird
er grün und bei pH>10 sogar gelb).
Um etwa Rotkohl aus Blaukraut zu erhalten wird deshalb häuﬁg eine Apfelscheibe (mit Apfelsäure) zugegeben, wodurch sich das Blaukraut rot färbt. Die Benennung „Rotkohl“ und
„Blaukraut“ ist übrigens regional verschieden, so werden beispielsweise im Süden Deutschlands auch schon die rohen Rotkohl-Köpfe als Blaukraut-Köpfe bezeichnet.
Teetrinker kennen Tee als Indikator: Wird dem Schwarztee Zitronensaft zugegeben, dann
wechselt die Farbe von dunkelbraun auf hellrötlichbraun. Auch dieser Farbumschlag ist auf
29
http://de.wikipedia.org/wiki/Sodbrennen
77
Säuren und Laugen
Farbstoﬀe im Tee zurückzuführen, die als Indikator wirken. Die Quelle ist w:Indikator (Chemie)30 .
Probiere es einmal selbst: Nimm einen frischen Rotkohl und zerschneide ein bis zwei Blätter
mit einer Schere oder einem Messer. Gib die für einige Minuten in ein Gefäß mit etwas
Wasser. Besonders gute Ergebnisse erhältst Du, wenn Du heißes Wasser verwendest.
Mit der farbigen Lösung kann man dann durch Zugabe von Säure oder Lauge mindestens
5 verschiedene Farben herstellen.
4.10 Die Neutralisation ist eine exotherme Reaktion
w:exotherme Reaktion31
Abb. 41
Versuchsbeschreibung
In ein großes, senkrecht eingespanntes Reagenzglas gibt man 5ml 5%-10% HCl, dann gibt
man in kleinen Portionen konzentrierte NaOH(aq) hinzu. Die Temperatur wird mit einem
Thermometer gemessen.
Beobachtung
Unter heftigem Aufwallen, Hitze und Geräuschentwicklung reagieren beide Substanzen miteinander. Am Boden setzt sich ein weißer Stoﬀ ab.
30
31
78
http://de.wikipedia.org/wiki/Indikator%20%28Chemie%29
http://de.wikipedia.org/wiki/exotherme%20Reaktion
Wiederholungsfragen
Schlussfolgerung
Es bilden sich Kochsalz und Wasser. Die Neutralisation setzt große Energien frei. Solche
Reaktionen nennt man
Deﬁnition
.
4.11 Wiederholungsfragen
1. Nenne 5 Säuren und 3 Laugen mit ihrer Formel. Stelle dann die Reaktionsgleichung
einer beliebigen Neutralisation auf!
2. In Cola ist viel Phosphorsäure enthalten.
a) Wie kann eine Getränkeﬁrma Phosphorsäure herstellen?
b) Stelle die Reaktionsgleichungen dazu auf!
c) Wie kann diese Säure unschädlich gemacht werden? Beschreibe genau, wie man
dazu vorgehen muss!
3. Schwefeloxid wird mit Wasser vermischt. Stelle die Reaktionsgleichung auf!
4. Stelle die Reaktionsgleichung der Verbrennung von Magnesium auf
a) Erkläre an diesem Beispiel die Begriﬀe Oxidation und Metalloxid!
b) Welche Farbe zeigt der Universalindikator, wenn man das Produkt mit Wasser
mischt?
5. Wissenschaftler haben festgestellt, dass Regenwasser auch Säuren enthält. In den letzten Jahren hat man nun beobachtet, dass vor allem in Gebieten mit starkem Autoverkehr der Regen besonders sauer ist. Besteht da ein Zusammenhang? (Tipp: In Benzin
sind Kohlenstoﬀ und Schwefel enthalten)
6. Was ist der pH-Wert?
7. Was vermutest Du, warum man den Säuregrad überhaupt messen muss? Reicht nicht
eine Bezeichnung wie sauer oder neutral aus?
8. Warum kann eine starke Säure auch manchmal schwach wirken? Vergleiche mit einem
starken Sportwagen, der in einer 30er Zone fährt.
9. Warum sind Aquarienliebhaber so sehr am pH-Wert ihres Wasser interessiert?
10. Mit der wievielfachen Menge Wasser muss man 1L Essig verdünnen, damit er nicht
mehr sauer ist (pH=7)?
11. Was ist eine „Neutralisation“?
a) Beschreibe eine Versuchsdurchführung und stelle Beobachtung und Schlussfolgerung auf (mit Reaktionsgleichung!)
b) Stelle die Reaktionsgleichung der Neutralisation von Phosphorsäure mit Kalilauge
auf!
12. Ein Bauarbeiter arbeitet beim Anrühren des Zementes ohne Handschuhe. Dazu verwendet er so genannten „gebrannten Kalk“ (CaO). Nach einigen Wochen sind seine
Hände stark angegriﬀen, eingerissen und rötlich. Finde eine Erklärung!
79
5 Wasser, Lösungen und die
Teilchentheorie
5.1 Stoﬀe bestehen aus winzigen Teilchen, die „Atome“
genannt werden
Wasser ist für den Menschen die wichtigste Verbindung überhaupt. In diesem Kapitel wirst
Du vieles über Wasser und Lösungsvorgänge lernen, denn schließlich sind im Wasser fast
immer Salze aufgelöst. Außerdem lernst Du die Atome kennen und auch noch mehr über
Trennungen und Trennungsvorgänge - denn auch dort spielt Wasser oft eine Rolle.
5.2 Lösen von Stoﬀen
Versuchsbeschreibung
In zwei große Bechergläser werden jeweils warmes und kaltes Wasser gegeben. Dann wird
je ein Kristall w:Kaliumpermanganat1 (ein Salz) zugefügt und etwa 60 min beobachtet.
Kaliumpermanganat dient nur als kristalliner Farbstoﬀ. Die beiden w:Becherglas2 dürfen
nicht berührt werden, es darf zu keinen Erschütterungen kommen.
Beobachtung
Im kalten Wasser verteilt sich der Farbstoﬀ langsam, im warmen sehr schnell. Nach etwa
60 min hat sich der Farbstoﬀ in beiden Bechergläsern gleich gut verteilt.
1
2
http://de.wikipedia.org/wiki/Kaliumpermanganat
http://de.wikipedia.org/wiki/Becherglas
81
Wasser, Lösungen und die Teilchentheorie
Abb. 42 Versuchsaufbau zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Verteilung von
Kaliumpermanganat im warmen und kalten Wasser
Schlussfolgerung
1. Lösen des Salzes
Durch das Wasser zerfällt der Salzkristall in winzig kleine Teilchen. Es ist eine Lösung
entstanden. Man sagt auch, das Salz hat sich in der Lösung aufgelöst. Wasser ist dabei das Lösungsmittel für das Salz. Diese winzigen Teilchen sind sehr klein und in sehr
hoher Anzahl vorhanden. Ein winziger Kristall kann davon so viele enthalten, dass die
Anzahl mehr wäre als eine Milliarde mal eine Milliarde mal 100. Es dürften so ca.
100 000 000 000 000 000 000 000 sein.
Deﬁnition
2. Verteilen des Farbstoﬀes
Alle w:Atom3 bewegen sich und stoßen dabei auch aneinander. Diese Eigenbewegung kann
man sich als ein Zittern oder Schwingen vorstellen. Sie wurde von dem schottischen Biologen
w:Robert Brown (britischer Botaniker)4 1827 entdeckt. Dadurch kommt es zur Verteilung
der Atome in der ganzen Lösung.
Deﬁnition
3
4
82
http://de.wikipedia.org/wiki/Atom
http://de.wikipedia.org/wiki/Robert%20Brown%20%28britischer%20Botaniker%29
Sieden
deshalb funktioniert der Versuch im warmen Wasser auch so gut.
5.2.1 Aufgaben
1.
2.
3.
4.
Löst sich Zucker im Tee, auch wenn man nicht umrührt?
Wenn jemand eine Mandarine isst, riecht man das bald im ganzen Raum. Warum?
Warum wird Wäsche mit 40°C heißem Wasser gewaschen?
Was kann man versuchen, wenn sich ein hartnäckiger Fleck bei 40°C nicht löst?
5.3 Sieden
Dieser Versuch wird Dir sicherlich gefallen - er ist einfach und in der Erklärung faszinierend.
Angeblich sind bei diesem Versuch schon Schüler durchgedreht ;-)
Versuchsbeschreibung
Man bringt Wasser in einem w:Becherglas5 zum Kochen und beobachtet es genau. Mit einem
wassergefüllten w:Reagenzglas6 sollen die aufsteigenden Gasbläschen aufgefangen werden.
dhunparserurl Anorganische Chemie für
Schüler: Vorlage: BBeobachtung
dhunparserurl Anorganische Chemie für
Schüler: Vorlage: SSchlussfolgerung
1. Becherglas beschlägt von außen
⇒ Wasser aus dem Erdgas setzt sich auf
dem kalten Glas von außen ab
⇒ Warme und kalte Wasserschichten
(=Dichteunterschiede) vermischen sich
⇒ gelöste Gase (Stickstoﬀ und Sauerstoﬀ) entweichen.dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler: Vorlage:
Merksatz
2. Schlierenbildung
3. Kleine Gasblasen steigen auf
Deﬁnition
, nicht nur Salze und Zucker! (siehe
Aquariumspumpe). Dabei gilt folgende
Regel: dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler: Vorlage: Merksatz
Deﬁnition
5
6
http://de.wikipedia.org/wiki/Becherglas
http://de.wikipedia.org/wiki/Reagenzglas
83
Wasser, Lösungen und die Teilchentheorie
4. Große Gasblasen steigen auf
5. Wassertropfen am Becherglas
⇒ Wasser wird gasförmig und Dampfblasen steigen auf. Diese können im Gegensatz zu Beobachtung 3 nicht mit einem
wassergefüllten Reagenzglas aufgefangen werden, da sie im etwas kälteren
Reagenzglaswasser sofort wieder ﬂüssig
werden.
⇒ Wasserdampf kühlt sich an der Glaswand ab und kondensiert.
Deﬁnition
5.3.1 Der w:Siedepunkt ist abhängig von:
a) Der Masse der Teilchen. Lässt sich über die w:kinetische Energie7 erklären (Ekin = ½ mV2 )
b) Zwischenmolekularen Kräften (Vergleich H2 S , H2 O ,...)
c) Luftdruck, der dem „Austritt“ der Moleküle entgegenwirkt (Vergleich: Ein Bergsteiger
siedet im Himalaja Tee bei 80°C, im Dampfkochtopf hingegen siedet Wasser bis 120°C).
Wenn der Dampfdruck gleich dem Umgebungsdruck ist, so ist die ﬂüssige Phase nicht mehr
stabil, es kommt zum Verdampfen.
5.3.2 Aufgaben
1. Wie gelangen gelöste Gase ins Wasser? (Mineralwasser)
2. Warum blubbert kochendes Wasser?
3. Kann man aus sprudelndem Mineralwasser eigentlich einen Tee kochen, der normal
schmeckt?
4. Welches Gas ist eigentlich in Mineralwasser aufgelöst?
5. Warum trocknet eine gewischte Tafel eigentlich, sie ist doch (hoﬀentlich) kälter als
der Siedepunkt von Wasser?
6. Wie kann es in einem heißem Sommer passieren, dass die Fische in kleineren Seen
sterben?
7. In welchen Jahreszeiten fühlen sich Fische demzufolge am wohlsten? Begründe Deine
Antwort!
7
84
http://de.wikipedia.org/wiki/kinetische%20Energie
Vorgänge beim Erhitzen von Wasser
5.4 Vorgänge beim Erhitzen von Wasser
w:Aggregatzustände8
Auf einer der vorherigen Seiten hast Du gelernt, dass alle Stoﬀe aus den winzig kleinen
Teilchen, den Atomen bestehen. Natürlich gilt das nicht nur für Feststoﬀe, sondern auch für
Flüssigkeiten und Gase. Außerdem weißt Du schon, dass diese Atome ständig zittern und
dieses Zittern von der Temperatur abhängig ist. Was passiert denn nun eigentlich mit den
Atomen, wenn man gefrorenes Wasser kocht? Diese Skizze zeigt die Anordnung von Atomen
in den drei Aggregatzuständen fest, ﬂüssig, gasförmig.
Zusatzinformation
Die Temperaturgrenzen sind nur unter w:Normalbedingungen9 wie angegeben.
Abb. 43
Schema der Entstehung der Aggregatzustände
Wird der w:Schmelzpunkt10 (=Smp) überschritten, lösen sich die Teilchen vom Eisblock ab,
weil sie sich zu stark bewegen. Der Feststoﬀ schmilzt. Bei weiterer Erwärmung benötigen die
Teilchen immer mehr Platz, bis sie schließlich am w:Siedepunkt11 (=Sdp) in die Gasphase
übergehen, weil im Außenraum, zum Beispiel über dem Kochtopf, noch genügend Platz
vorhanden ist.
Der Schmelz- und der Siedepunkt sind eine Stoﬀeigenschaft. Jeder Stoﬀ hat andere Schmelzund Siedepunkte. Man kann dadurch Stoﬀe erkennen und zuordnen:
Wasser
Schmelz0°C
punkt
8
9
10
11
Alkohol
-117°C
Eisen
1535°C
Zink
419°C
http://de.wikipedia.org/wiki/Aggregatzust%C3%A4nde
http://de.wikipedia.org/wiki/Normalbedingungen
http://de.wikipedia.org/wiki/Schmelzpunkt
http://de.wikipedia.org/wiki/Siedepunkt
85
Wasser, Lösungen und die Teilchentheorie
Sie- 100°C
depunkt
79°C
2870°C
906°C
Quecksilber
Schmelz-39°C
punkt
Sie- 357°C
depunkt
Helium
-272°C
Wasserstoﬀ
-259°C
Sauerstoﬀ
-219°C
-269°C
-253°C
-183°C
Anwendungen im täglichen Leben
• Dampfkochtopf
• Feuerzeuggas, wird erst beim Öﬀnen gasförmig
• Mikrowelle kehrt Prozess um. Teilchen werden in Schwingung versetzt, dadurch Erwärmung.
⇒ Gefahr bei Handys, da Eiweiße im Gehirn erhitzt werden.
5.4.1 Aufgaben
• Erkläre jede der drei Anwendungen kurz mit dem Teilchenmodell.
• Warum bricht kaltes Eis auf einem See nicht so schnell, wie Eis bei genau 0°C?
5.5 Lösen von Salzen in Wasser
w:Lösung (Chemie)12
Was passiert eigentlich, wenn Du Zucker oder Salz in ein Glas mit Wasser gibst. Beobachte
doch mal was passiert. Einmal, wenn du rührst und nochmal ohne zu rühren.
5.5.1 Gesättigte Lösung
Versuchsbeschreibung
Zu 100ml Wasser wird Salz zugefügt. Löst sich alles nach dem Rühren auf, wird ein weiterer
Löﬀel Salz hinzugefügt. Besonders schöne Kristalle erhält man mit w:Alaun13 , chemisch
korrekter Name ist Kaliumaluminiumsulfat.
Beobachtung
In der Lösung löst sich die Menge von zwei Löﬀeln auf, der dritte bildet einen Bodenkörper.
Der BodenKÖRPER ist übrigens der Teil, der sich nicht auﬂöst.
12
13
86
http://de.wikipedia.org/wiki/L%C3%B6sung%20%28Chemie%29
http://de.wikipedia.org/wiki/Alaun
Lösen von Salzen in Wasser
Schlussfolgerung
Eine Lösung ist ein homogenes Gemisch, das aus einem oder mehreren gelösten Stoﬀen
und einem w:Lösungsmittel14 besteht. Viele Salze lösen sich in Wasser auf, aber das Lösungsmittel Wasser kann nicht unendlich viel Salz auﬂösen. Ist die Menge zu groß, bleibt
ein Rückstand am Boden zurück. Man spricht von einer gesättigten Lösung. Lösungsmittel
sind üblicherweise Flüssigkeiten. Die gelösten Stoﬀe können fest, ﬂüssig oder gasförmig sein.
Abb. 44
Becherglas mit Bodensatz
Deﬁnition
5.5.2 übersättigte Lösung
Wenn man zu einer gesättigten Lösung weiter Salz zufügt, entsteht ein Bodenkörper. Dieser
löst sich unter Umständen beim Erwärmen. Es entsteht eine übersättigte Lösung. Diese
enthält mehr Salz, als sie eigentlich aufnehmen kann.
14
http://de.wikipedia.org/wiki/L%C3%B6sungsmittel
87
Wasser, Lösungen und die Teilchentheorie
Abb. 45
Becherglas mit Bodensatz
Beim Abkühlen gibt die übersättigte Lösung zuviel gelöstes Salz unter Umständen wieder
ab. Wenn man einen Faden (am Besten mit einem kleinen Kristall daran) in die Lösung
hängt, „wächst“ ein Kristall.
5.6 Unterkühlte Salzlösung
Nachdem Du jetzt den Schmelzpunkt und den Siedepunkt von Wasser kennen gelernt hast,
stellt sich die Frage, ob Wasser sich gleichmäßig erwärmt, wenn man es erhitzt. Und was
passiert, wenn man nicht reines Wasser, sondern Wasser mit gelöstem Salz kocht?
Versuchsbeschreibung
Je 6 Eiswürfel werden in einem Becherglas mit etwas Wasser benetzt. Die Temperatur wird
gemessen. Das Wasser wird nun gekocht und die Temperatur alle 20s gemessen. Eine zweite
Gruppen kocht die Eiswürfel, fügt aber 3 Löﬀel Kochsalz hinzu. Nach Versuchsende wird
ein Koordinatensystem (z. B. mit Excel) erstellt.
Beobachtung
Zeit [s]
88
Temperatur Wasser [°C]
Temperatur
Salzwasser
[°C]
Unterkühlte Salzlösung
0
20
40
60
...
Abb. 46
0
-8
Versuchsauswertung Sättigungskurven
Man sieht, dass sich Wasser und die Salzlösung gleichmäßig erwärmen - solange keine Eiswürfel mehr darin schwimmen - denn dann ist die genaue Messung sehr schwierig. Die Temperaturkurve von Salzwasser beginnt allerdings bei geringeren Temperaturen und erreicht
ihren Sättigungspunkt bei höheren Temperaturen, als die von reinem Wasser.
Schlussfolgerung
Erklärung für die 8. Klasse
Wasser schmilzt bei 0°C und siedet bei 100°C. Gibt man Kochsalz hinzu, wird der Schmelzpunkt herabgesetzt, da sich Salzteilchen zwischen die Wasserteilchen drängeln und so die
Anordnung im gefrorenen Kristall „stören“. Das Eis schmilzt, obwohl es noch nicht seinen
Schmelzpunkt erreicht hat.
Deﬁnition
Beim Sieden passiert etwas Ähnliches. Die Salzteilchen bewegen sich sehr schnell und entnehmen so dem System zusätzlich Energie. ⇒ man muss mehr Hitze zufügen, damit alle
Wasserteilchen in die Gasphase übertreten können.
89
Wasser, Lösungen und die Teilchentheorie
Deﬁnition
Beachte die allgemeinen Aussagen eines Diagramms
• je steiler die Gerade, desto höher die Geschwindigkeit.
• Unterbrechungen sagen etwas über den Versuchsverlauf aus. Steigt es, wie gewohnt, danach weiter, so liegt ein Messfehler vor, entsteht eine Stufe, so war vielleicht der Brenner
aus. Fällt die Temperatur, so wurde vielleicht kälteres Wasser zugefügt.
5.6.1 Aufgaben
1. Erkläre die Wirkung von Streusalz!
2. Warum wird in die Scheibenwaschanlage (im Winter) Alkohol zum Seifenwasser zugefügt?
3. Warum gefriert eine mit Alkohol enteiste Scheibe schneller wieder, als eine, die freigekratzt wurde?
5.7 Übung: Eigenschaften von Lösungsmitteln
Welche Stoﬀe lösen sich eigentlich in Wasser auf? Sind es alle Stoﬀe, oder unterscheiden
sie sich? Außerdem gibt es noch andere Lösungsmittel außer Wasser (z. B. Benzin oder
Alkohol). Dieser Versuch soll klären, ob es für das Auﬂösen von Stoﬀen eine Gesetzmäßigkeit
gibt.
Versuchsbeschreibung
Nimm dir die verschiedenen Lösungsmittel und untersuche, wie viel sich von den angegebenen Feststoﬀen darin löst. Beachte, dass eine Trübung immer bedeutet, dass sich ein Stoﬀ
nicht aufgelöst hat. Kennzeichne dann mit den Symbolen „+“, „•“ Und „–“, wie gut sich die
Feststoﬀe in den jeweiligen Lösungsmitteln auﬂösen.
Beobachtung
Kochsalz(NaCl)
Traubenzucker(C6 H12 O6 M
) ehl/Stärke
Wasser
w:Ethanol15
w:Benzin16
w:Aceton1718
15
16
17
18
90
http://de.wikipedia.org/wiki/Ethanol
http://de.wikipedia.org/wiki/Benzin
http://de.wikipedia.org/wiki/Aceton
Auch bekannt als Nagellackentferner
Kaffee
Übung: Eigenschaften von Lösungsmitteln
Mineralsalztablette
Vitamin C
Butter/ Fett
Speiseöl
Wasser
w:Ethanol19
w:Benzin20
w:Aceton2122
Schlussfolgerung
w:Polarität (Chemie)23
Nicht alle Stoﬀe können sich in jedem Lösungsmittel auﬂösen. Viele Stoﬀe lösen sich in
Wasser oder in Benzin/ Aceton. Kein Stoﬀ löst sich gut ein beiden Flüssigkeiten. Einige
Stoﬀe lösen sich in gar keinem Lösungsmittel auf, wie z. B. das Mehl.
Die Ursache ist die so genannte Polarität, die die Du im nächsten Jahr noch besser kennen
lernen wirst. Es gibt sogenannte polare und apolare (=unpolare) Lösungsmittel. Man unterscheidet dabei nicht nur hinsichtlich der Polarität von Lösungsmittel, sondern auch der
Polarität des zu lösenden Stoﬀes. Wasser ist z. B. ein „polares“ Lösungsmittel. Benzin ein
„nicht-polares“ (=„apolares“) Lösungsmittel.
Deﬁnition
Salz ist ein polarer Stoﬀ. Er löst sich also nur in polaren Lösungsmittel wie z. B. Wasser. Fette hingegen sind apolar und lösen sich gut in apolaren Lösungsmitteln wie Benzin,
Terpentin, Verdünner oder Aceton.
Es gilt:
Deﬁnition
Im Alkohol liegt eine Mittelstellung vor, da er weniger polar als Wasser, aber polarer als
Benzin ist. In ihm lösen sich sowohl polare, als auch apolare Stoﬀe, aber in jeweils geringerer
Menge, als im entsprechendem Lösungsmittel.
5.7.1 Aufgaben
1. Warum gehen Fettﬂecken und Schmiereﬂecken so schlecht in der Waschmaschine aus
der Kleidung?
19
20
21
22
23
http://de.wikipedia.org/wiki/Ethanol
http://de.wikipedia.org/wiki/Benzin
http://de.wikipedia.org/wiki/Aceton
Auch bekannt als Nagellackentferner
http://de.wikipedia.org/wiki/Polarit%C3%A4t%20%28Chemie%29
91
Wasser, Lösungen und die Teilchentheorie
2. Welches Lösungsmittel schlägst Du vor, um Fett von der Fahrradkette zu entfernen?
3. Nagellack und Edding sind nicht wasserlöslich. Wie kann man sie stattdessen entfernen?
4. Welche Möglichkeiten gibt es „Hähnchen-verschmierte Finger“ zu reinigen?
5. Ein Schüler hatte einen Motorschaden mit seinem Mofa. Er vermutet, dass ihm jemand
Zucker in den Tank getan hat.
a) Warum ist Zucker für den Motor gefährlich und wie wirkt er sich aus?
b) Kann man den Zucker noch nachweisen - und wie?
6. Warum schwimmen die Fettaugen in der Suppe oben?
5.8 Wasser
w:Wasser24
Wasser ist eine chemische Verbindung aus Sauerstoﬀ und Wasserstoﬀ mit der Formel H2 O.
Die Bezeichnung Wasser wird besonders für den ﬂüssigen Aggregatzustand verwendet, im
festen, also gefrorenen Zustand wird es Eis genannt, im gasförmigen Zustand Wasserdampf
oder einfach nur Dampf. Die chemisch korrekteste Bezeichnung wäre Wasserstoﬀoxid.
5.8.1 Wasservorkommen der Erde
Große Teile der Erde sind vom Wasser bedeckt. Die Versorgung der Weltbevölkerung mit
hygienisch unbedenklichem Trinkwasser, sowie einer ausreichenden Menge Nutzwasser, stellt
dennoch eine der größten Herausforderungen der Menschheit in den nächsten Jahrzehnten
dar.
Die Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf circa 1.386 Milliarden km3 , wovon allein
1.338 Milliarden km3 (96,5 %) auf das Salzwasser der Weltmeere entfallen. Nur 35 Millionen
km3 (2,53 %) des irdischen Wassers liegen als Süßwasser vor. Das mit 24,4 Mill. km3 (1,77 %)
meiste Süßwasser ist dabei als Eis an den Polen, Gletschern und Dauerfrostböden gebunden
und somit nicht der Nutzung zugänglich.
Wasser ist die einzige Verbindung, die in allen drei Aggregatzuständen auf unserem Planeten
vorkommt. Insgesamt liegen 98,2 % des Wassers in ﬂüssiger, 1,8 % in fester und 0,001 %
in gasförmiger Form vor. In seinen unterschiedlichen Formen zirkuliert es fortwährend im
globalen Wasserkreislauf. Diese Anteile sind jedoch nur näherungsweise bestimmbar, wobei
im Zuge der globalen Erwärmung von einem Anstieg des Wasserdampfanteils ausgegangen
wird.
Während Regenwasser recht rein ist (destilliertes Wasser, welches keine gelösten Stoﬀe enthält), kommt es beim Kontakt mit dem Boden sofort zum Auﬂösen von Mineralien, die im
Boden sind (v. a. die Salzgruppen Sulfate, Chloride und Carbonate, die v. a. die Elemente
Natrium, Kalium, Calcium und Magnesium enthalten). Sind landwirtschaftliche Betriebe in
der Nähe, so ﬁndet man oft auch Stickstoﬀverbindungen wie Nitrate und Nitrite im Grundwasser). Grund dafür ist der hohe Gehalt an Fäkalien, welche auf die Felder als Dünger
aufgetragen werden.
24
92
http://de.wikipedia.org/wiki/Wasser
Wasser
Meerwasser besteht zu großen Teilen aus Natriumchlorid („Kochsalz“), welches durch Meerwasserentsalzung gewonnen werden kann.
5.8.2 Aufbau und Eigenschaften des Wassermoleküls
Das Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoﬀatomen und einem Sauerstoﬀatom. Geometrisch ist das Wassermolekül gewinkelt. Die zwei Wasserstoﬀatome und die zwei Elektronenpaare sind folglich in die Ecken eines gedachten Tetraeders gerichtet. Der Winkel,
den die beiden O-H-Bindungen einschließen, beträgt 104,45°. Die Bindungslänge der O-HBindungen beträgt jeweils 95,84 w:Picometer#Pikometer25 .
5.8.3 Eigenschaften des Wassers
Die Eigenschaften des Wassers sind so besonders, dass sie es zu dem bedeutendsten Stoﬀ
der Erde machen. Bis heute werfen einige Eigenschaften des Wassers Forschern teilweise
Rätsel auf:
• Wasser hat vergleichsweise hohe Schmelz- und Siedepunkte. Diese wurden als Fixpunkte
für Temperaturskalen festgelegt.
• Wasser siedet unter Normalbedingungen bei 100 °C und erstarrt bei 0 °C (durch gelöste
Salze kann man diese Punkte allerdings verändern).
• Wasser zeigt eine Dichteanomalie, d. h. es hat seine höchste Dichte bei 4°C, bei tieferen
Temperaturen nimmt die Dichte wieder ab, deshalb schwimmt Eis.
• Wasser ist ein hervorragendes polares Lösungsmittel für viele Stoﬀe.
• Die Löslichkeit in Wasser ist oft stark von der Temperatur abhängig; dabei verhalten sich
Feststoﬀe und Gase unterschiedlich. Gase lösen sich besser in kaltem Wasser, dagegen
lösen sich Feststoﬀe bei zunehmender Temperatur meist besser in Wasser. Dazu gibt es
allerdings wiederum viele Ausnahmen, wie zum Beispiel das w:Lithiumsulfat26 .
• tritt Licht von der Luft ins Wasser ein, so wird es abgelenkt (gebrochen).
• Wasser weist eine vergleichsweise große w:Oberﬂächenspannung27 auf, da sich die Wassermoleküle gegenseitig recht stark anziehen.
• Wasser ist im reinen Zustand geschmack- und geruchlos.
• wird Wasser aus Wasserstoﬀ und Sauerstoﬀ gebildet, so wird viel Energie freigesetzt.
• Wasser hat im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten eine hohe Wärmeleitfähigkeit, aber im
Vergleich mit einigen Metallen eine sehr geringe.
• Wasser kann auch als Säure oder Lauge reagieren. Solche Stoﬀe nennt man „amphoter“.
25
26
27
http://de.wikipedia.org/wiki/Picometer%23Pikometer
http://de.wikipedia.org/wiki/Lithiumsulfat
http://de.wikipedia.org/wiki/Oberfl%C3%A4chenspannung
93
Wasser, Lösungen und die Teilchentheorie
5.8.4 Bedeutungen des Wassers
Klima
Wasser beeinﬂusst entscheidend unser Klima und ist für die Entstehung von Wetter verantwortlich, vor allem durch seine Kapazität als Wärmespeicher. In den Ozeanen wird die einstrahlende Sonnenenergie gespeichert. Diese regional unterschiedliche Erwärmung führt wegen Verdunstung zu Konzentrationsunterschieden. Dieses Konzentrationsgefälle erzeugt globale Meeresströmungen, die sehr große Wärmemengen transportieren (z. B. w:Golfstrom28 ,
w:Humboldtstrom29 , äquatorialer Strom, mitsamt ihren Gegenströmungen). Ohne den Golfstrom würde in Mitteleuropa arktisches Klima herrschen.
Bei der Erwärmung verdunstet Wasser, es entsteht Verdunstungskälte. Als „trockener“
Dampf (nicht kondensierend) und als „nasser“ Dampf (kondensierend: Wolken, Nebel) enthält und transportiert es latente Wärme, die für sämtliche Wetterphänomene entscheidend
verantwortlich ist (Luftfeuchtigkeit, Gewitter, Föhn).
Der aus Wolken fallende Niederschlag und der Wasserdampf bewässern die terrestrischen
??Ökotope??. Auf den Landmassen können so Gewässer oder Eismassen entstehen, die wiederum das Klima beeinﬂussen.
Biologie
Das Leben ist nach dem heutigen Erkenntnisstand im Wasser entstanden. Wasser wurde
damit zum wichtigen Bestandteil der Zelle und zum Medium der wichtigsten biochemischer
Vorgänge (Stoﬀwechsel) in Tier und Pﬂanze. Das w:Zellplasma30 von Tieren kann allein bis
zu 90 Prozent Wasser enthalten (sowie Fette, Kohlenhydrate, Eiweiße, Salze u.a. Substanzen). Das Blut von Tieren und der Saft in Pﬂanzen enthalten auch viel Wasser. Der Bedarf
eines Menschen liegt bei 2-3 l/Tag
Wassergehalt in einigen Nahrungsmitteln
Butter 18 %
Brot 40 %
28
29
30
94
Käse 30 bis 60 %
Joghurt, Milch 75
%
Fleisch 60-75 %
Apfel, Birne 85 %
http://de.wikipedia.org/wiki/Golfstrom
http://de.wikipedia.org/wiki/Humboldtstrom
http://de.wikipedia.org/wiki/Zellplasma
Wassermelone 90 %
Gurken, Tomaten 98
%
Wasserverbrauch
5.9 Wasserverbrauch
Der Wasserverbrauch des Menschen ist von der Entwicklung des Landes, in dem er lebt, und
vom Angebot stark unterschiedlich. Wasser wird für den Verzehr (Trinkwasser), Waschen,
Kochen, Landwirtschaft, Industrie u.a. verwendet.
Der Wasserbedarf in Deutschland betrug 1991 47,9 Milliarden m3 , wovon allein 29 Milliarden
m3 als Kühlwasser in Kraftwerken dienten. Rund 11 Milliarden m3 wurden direkt von der
Industrie genutzt, 1,6 Milliarden m3 von der Landwirtschaft. Nur 6,5 Milliarden m3 dienten
der Trinkwasserversorgung.
5.9.1 Täglicher Verbrauch
• In Deutschland bis zu 130-300l/ Person
• In USA bis zu 600l/ Person (z. B. durch viele Golfplätze oder Städte in der Wüste, wie
Las Vegas)
• In Entwicklungsländern teilweise 4l/ Person
Der durchschnittliche Trinkwasserverbrauch beträgt in Deutschland ca. 130 Liter pro Einwohner und Tag. Dieser Wert ist leicht im Sinken. So lag nach dem zweiten Weltkrieg der
Verbrauch noch bei ca. 150 Liter pro Tag. An dieser Ersparnis haben v.a. eﬃzientere Waschund Spülmaschinen, wassersparende Toilettenspülungen und ein umweltfreundlicheres Bewusstsein einen großen Anteil. Auch die Industrie muss heute wassersparender produzieren
als noch in den Nachkriegsjahren.
5.9.2 Aufgaben
Abb. 47
Auswertung des Wasserzählerablesens
1. Vergleiche die Zahlen des täglichen Verbrauchs. Brauchst Du wirklich soviel Wasser?
2. a) Miss mindestens eine Woche lang den täglichen Wässerverbrauch und trage die
Werte in die Tabelle ein (beachte, dass ihr unter Umständen mehr als einen Wasserzähler im Haus habt).
b) Erstelle dann ein Koordinatensystem. Wie erklärst Du dir die Sprünge darin?
3. a) Was sind Deiner Meinung nach die größten Wasserverschwender im Haus?
95
Wasser, Lösungen und die Teilchentheorie
b) Wie kann man Wasser sparen?
4. Wasserverschmutzung: Informiere Dich über verschmutzte deutsche Flüsse und Gewässer. Was sind diese „Verschmutzungen“? Wie kann man Wasser reinigen?
Tag
Zähler 1 [m3 ]
Zähler 2 [m3 ]
Verbrauch
[l]
Mo
Di
Mi
Do
Fr
Sa
so
5.10 Übung: Trennungen
Wir haben in einer der vorherigen Lektionen schon Gemische getrennt. Hier lernst Du
weitere Methoden. Sie können auch benutzt werden, um z. B. verunreinigtes Wasser zu
reinigen.
Die folgenden fettgedruckten Wörter bezeichnen Methoden, die für die davor stehenden
Gemische gut geeignet sind.
5.10.1 Sand & Wasser ⇒Sedimentieren und dann Dekantieren
Der Ausdruck Dekantieren bezeichnet den Prozess der Abtrennung eines ungelösten Feststoﬀes oder einer nicht vermischten Flüssigkeit aus einer zweiten Flüssigkeit. Nach einer
Ruhezeit in einem Gefäß setzt sich der Feststoﬀ am Boden ab (wie Kakaopulver in der
selbst gemachten Trinkschokolade). Dieser Vorgang heißt Sedimentieren. Die Flüssigkeit
schwimmt über dem Feststoﬀ, oder das Öl auf dem Wasser. Durch vorsichtiges Abgießen
einer Schicht kann man die Stoﬀe trennen, sozusagen „an einer Kante trennen“ (=Dekantieren). Diese Methode funktioniert z. B. auch bei Benzin und Wasser.
5.10.2 Alkohol & Wasser ⇒Destillieren
Wenn zwei Stoﬀe unterschiedliche Siedepunkte haben, verdampft ein Stoﬀ früher als der
andere (in dem Fall würde der Alkohol zuerst verdampfen, da sein Siedepunkt bei ca. 78°C
liegt)
5.10.3 Kieselsteine & Sand ⇒ Sieben
Mit einem Sieb können Sand und Steine leicht getrennt werden.
96
Übung: Trennungen
5.10.4 Sand & Wasser ⇒ Filtieren
Mit einem Filterpapier und einem Trichter lassen sich Sand und Wasser leicht trennen.
Diese Methode funktioniert immer dann, wenn einer der beiden Stoﬀe größer und der andere
kleiner als die Poren des Filters ist. Diese Methode ist dem Sieben sehr ähnlich, nur dass
die Poren viel kleiner sind.
5.10.5 Eisen & Schwefel ⇒ Trennung mit Magneten
Sofern sich zwei Stoﬀe in ihren magnetischen Eigenschaften unterscheiden, können sie leicht
durch einen Magneten getrennt werden. Auf diese Weise können auch zwei Metalle getrennt
werden, sofern eines davon aus Eisen, Nickel oder Cobalt besteht.
5.10.6 Sand & Wasser ⇒ Zentrifugieren
Beim Zentrifugieren werden die unterschiedlichen Dichten der beiden Stoﬀe ausgenutzt.
Der Stoﬀ mit der höheren Dichte, wird stärker nach außen geschleudert (vergleiche mal
mit einer Fahrt in der Berg-und-Tal-Bahn oder einem Kettenkarussell). Diese Methode
funktioniert ebenso mit zwei Flüssigkeiten verschiedener Dichte oder auch nasser Wäsche
in der Wäscheschleuder.
5.10.7 Inhaltsstoﬀe in Filzstiften ⇒ Chromatographie
Mache mal auf ein Filterpapier Punkte in 1,5 cm Höhe mit einem schwarzen Filzstift. Stelle
alles in ein mit Wasser gefülltes Becherglas (nur 1 cm). Was kannst Du sehen?
Die Erklärung hierzu ist für Deinen Wissenstand noch sehr schwierig. Es hängt mit der
unterschiedlichen Polarität der im Filzstift enthaltenen Farben zusammen. Sie werden je
nach Polarität bis zu einer gewissen Höhe „mitgenommen“
Zusatzinformation
w:Chromatographie31
5.10.8 Aufgaben:
1. Erkläre mit Deinen Worten das Prinzip, was hinter allen Trennungsvorgängen steht.
2. Erstelle eine tabellarische Übersicht (oder ein Mindmap), welches die verschiedenen
Methoden wiedergibt und ﬁnde zu jeder Methode mindestens noch ein Beispiel aus
dem täglichen Leben.
31
http://de.wikipedia.org/wiki/Chromatographie
97
Wasser, Lösungen und die Teilchentheorie
5.11 Übung: Trennen eines Sand/ Salz Gemisches
Versuchsbeschreibung
Mit verschiedenen Mitteln soll ein Sand/ Kochsalzgemisch getrennt werden. Die Schüler
dürfen selbst entscheiden, wie sie vorgehen.
Eine Möglichkeit besteht darin, Wasser als dritten Stoﬀ zuzufügen und das Salz darin aufzulösen. Dann wird der Sand vom Salzwasser abﬁltriert. Das Wasser lässt man verdampfen.
Salz bleibt übrig.
5.12 Extraktion von Erdnussöl aus Erdnüssen
Versuchsbeschreibung
Eine Packung Erdnüsse wird im Mörser mit Diethylether oder Aceton zermörsert. (Diethylether ist gründlicher, Aceton gesünder). Das freiwerdende Öl wird abgegossen und mit dem
noch enthaltenen Aceton in den Abzug gestellt. Es verdampft innerhalb weniger Minuten.
Beobachtung
Es entsteht zuerst ein Brei, aus dem dann Öltropfen austreten.
Schlussfolgerung
Nüsse enthalten sehr viel Öl. Dieses wird durch das Lösungsmittel Aceton herausgelöst. Im
Luftzug des Abzugs verdampft es schnell - zurück bleibt das Öl.
Zusatzinformation
w:Pﬂanzenöl32 , w:Erdnuss33 , w:Erdnussöl34
5.13 Die Kläranlage
w:Kläranlage35
32
33
34
35
98
http://de.wikipedia.org/wiki/Pflanzen%C3%B6l
http://de.wikipedia.org/wiki/Erdnuss
http://de.wikipedia.org/wiki/Erdnuss%C3%B6l
http://de.wikipedia.org/wiki/Kl%C3%A4ranlage
Die Kläranlage
5.13.1 Fließschema
Abb. 48
Schema, wie arbeitet eine Klärgrube
Mechanische Stufe
In diesem ersten Teil ﬁnden Trennungen hauptsächlich aufgrund von physikalischen Eigenschaften, wie Dichte, Größe, Masse usw. statt. Hier werden etwa 20-30% der festen (ungelösten) Schwimm- und Schwebstoﬀe entfernt. In der weitergehenden Abwasserreinigung
und der Industriewasserwirtschaft werden unter anderem Adsorption, Filtration und andere
eingesetzt.
Regenentlastung
Falls Regen- und Schmutzwasser in einem Kanal der Kläranlage zugeleitet werden (Mischsystem), muss in der Regel ein Teil des Regenwassers entweder bereits im Kanalnetz oder auf
der Kläranlage über einen Regenüberlauf entlastet und/oder in einem Regenüberlaufbecken
gespeichert werden, um die Kläranlage nicht zu überlasten.
Rechen
In der Rechenanlage wird das Abwasser durch einen Rechen gesäubert. Im Rechen bleiben
die groben Verschmutzungen wie Fäkalstoﬀe, Damenbinden, Toilettenpapier, Steine, aber
auch Laub und tote Ratten hängen. Diese Grobstoﬀe würden Pumpen der Kläranlage verstopfen. Man unterscheidet Feinrechen mit wenigen mm und Grobrechen mit mehreren cm
Spaltweite.
99
Wasser, Lösungen und die Teilchentheorie
Sandfang
Ein Sandfang ist ein Absetzbecken mit der Aufgabe, grobe, absetzbare Verunreinigungen aus
dem Abwasser zu entfernen, so beispielsweise Sand, Steine, Glassplitter oder Gemüsereste.
Durch Sedimentation können sich diese Stoﬀe absetzen.
Vorklärbecken
Ein Vorklärbecken ist nicht immer vorhanden. Das Schmutzwasser ﬂießt sehr langsam durch
das Vorklärbecken. Ungelöste Stoﬀe (Fäkalstoﬀe, Papier etc.) setzen sich ab (absetzbare
Stoﬀe) oder schwimmen an der Oberﬂäche auf. Etwa 30 % der organischen Belastung kann
damit entfernt werden. Es entsteht Primärschlamm, der weiter zu behandeln ist.
Biologische Stufe
In diesem Verfahrensteil werden durch Mikroorganismen die organischen Verbindungen der
Abwasserinhaltsstoﬀe abgebaut und anorganische Stoﬀe teilweise durch Luftzufuhr oxidiert.
Hierzu wurden zahlreiche Verfahren entwickelt.
Belebungsbecken
Im Belebungsbecken werden durch Belüften von mit Bakterienschlämmen (=Belebtschlamm) vermischtem Abwasser (gelöste) Abwasserinhaltsstoﬀe von den Bakterien biologisch abgebaut. Dabei werden von Bakterien und anderen Einzellern Kohlenstoﬀverbindungen zu Biomasse und Kohlendioxid und der Nährstoﬀ Stickstoﬀ durch Nitriﬁkation
(=biologische Oxidation von Ammonium zu Nitrat unter Beisein von Sauerstoﬀ) und Denitriﬁkation (=Reduktion von Nitrat zu Stickstoﬀgas unter Abwesenheit gelösten Sauerstoﬀs) abgebaut. Die überschüssige Biomasse wird als Klärschlamm bezeichnet. Durch die
Zugabe von Fällmitteln kann mittels chemischer Reaktionen außerdem der Nährstoﬀ Phosphor entfernt werden. Dies verbessert auch die Absetzeigenschaften des Belebtschlammes
im Nachklärbecken.
Nachklärbecken
Das Nachklärbecken bildet eine Prozesseinheit mit dem Belebungsbecken. In ihm wird
der Bakterienschlamm (=Belebtschlamm) durch Absetzen aus dem Abwasser abgetrennt.
Der Schlamm wird in das Belebungsbecken zurückgeführt (Rücklaufschlamm). Der durch
den Abbau der Abwasserinhaltsstoﬀe entstehende Biomassezuwachs wird als Überschussschlamm/Klärschlamm entsorgt, bzw. in Faultürmen unter anaeroben Bedingungen zu Faulschlamm und Biogas (=Methan und Kohlendioxid) abgebaut. Auch nach der Faulung verbleibt ein restlicher Klärschlamm. Dieser ausgefaulte Schlamm kann in der Landwirtschaft
verwertet werden oder muss verbrannt werden.
100
Die Kläranlage
Zusatz: Chemische Verfahren
Dies ist eine Zusatzinformation
Chemische Verfahren ﬁnden bei Bedarf als dritte Stufe statt. Sie bedienen sich chemischer
Reaktionen wie Oxidation und w:Fällung3637 . Sie dienen in der kommunalen Abwasserreinigung vor allem der Entfernung von Phosphor durch Fällungsreaktionen. Dieser Prozess hat
große Bedeutung zur Vermeidung der w:Eutrophierung3839 der Gewässer. Zudem werden
chemische Verfahren zur Fällung in der Industriewasserwirtschaft und zur weitergehenden
Abwasserreinigung (beispielsweise Flockung/Fällung/Filtration) eingesetzt.
36
37
38
39
http://de.wikipedia.org/wiki/F%C3%A4llung
Inhalt eines späteren Kapitels
http://de.wikipedia.org/wiki/Eutrophierung
Eutrophe Gewässer sind gefährdet, weil sie zuviel Nährstoﬀe enthalten.
101
6 Dalton's Atomhypothese
w:Atommodell#Daltons_Atomhypothese_.281808.291
w:John Dalton2 , geboren am 6. September 1766 in Eaglesﬁeld, England, war ein englischer
Naturwissenschaftler und Lehrer. Sein Vater war als Weber reich genug, seinen Sohn auf
eine Schule zu schicken. Für die damalige Zeit keine Selbstverständlichkeit. Schon im Alter
von 12 Jahren wurde er selbst an dieser Schule als Lehrer tätig. Im Alter von 15 Jahren
(also 1781) begann er im benachbarten Kendal mit seinem Bruder und seinem Cousin eine
neue Schule zu leiten. 12 Jahre später (1793) wird er an das „New College“ nach Manchester
berufen, wo er Studenten unterrichtete. Er starb am 27.7.1844, im Alter von 78 Jahren in
Manchester.
Sein Interesse galt vielen Dingen, vor allem aber den Vorgängen der Natur. Durch seine
meteorologischen Beobachtungen vermutete er schon 1787, dass Regen durch ein Sinken
der Atmosphärentemperatur entsteht. Weiterhin arbeitete er auf dem Gebiet der Wärmeausdehnung von Gasen und formulierte ein Gesetz dazu (das „Dalton-Gesetz der Partialdrücke“). John Dalton entdeckte auch die Farbenblindheit, an der er selbst litt. Seine wichtigste
Theorie veröﬀentlichte er 1803 zu den chemischen Elementen. Er vermutet, dass alle Stoﬀe
aus Atomen bestehen. Diese neue Theorie wurde nach ihm „Dalton’sche Atomhypothese“
benannt:
1. Materie besteht aus extrem kleinen, bei Reaktion ungeteilt bleibenden Teilchen, den
Atomen.
2. Die Masse der Atome eines bestimmten Elements sind gleich (alle Atome eines
Elements sind gleich). Die Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in ihren
Eigenschaften (zum Beispiel in Größe, Masse, usw.).
3. Es existieren so viele Atomsorten wie Elemente.
4. Bei chemischen Reaktionen werden Atome in neuer Kombination vereinigt oder voneinander getrennt.
5. Eine bestimmte Verbindung wird von den Atomen der betreﬀenden Elemente in einem
bestimmten, einfachen Zahlenverhältnis gebildet.
Sein bedeutendster Beitrag dürfte sein 1808 veröﬀentlichtes Buch „A New System Of Chemical Philosophy“ sein. Darin schlug Dalton vor, das Atomgewicht der Elemente auf das
leichteste Element, den Wasserstoﬀ zu beziehen. Diesem ordnete er dabei die Masse 1u zu.
(u steht für „unit“ = Einheit). Seine Messungen waren für die damalige Zeit und die zur
Verfügung stehenden Messgeräte erstaunlich genau! Er stelle gleichzeitig eine Tabelle der
Atomgewichte auf, in der die Atome nach steigender Masse angeordnet waren. Diese waren
eine wichtige Vorlage für die spätere Aufstellung des Periodensystems der Elemente.
1
2
http://de.wikipedia.org/wiki/Atommodell%23Daltons_Atomhypothese_.281808.29
http://de.wikipedia.org/wiki/John%20Dalton
103
Dalton's Atomhypothese
1822 wurde er Mitglied der Englischen w:Royal Society3 . Von dieser erhielt er als erster die
Goldmedaille für seine Verdienste auf dem Gebiet der Chemie. 1830 wählte man ihn als
erstes ausländisches Mitglied in die französische „Académie Des Sciences“ in Paris. Letzteres
war die höchste Ehrung, die einem englischen Wissenschaftler im 19. Jahrhundert verliehen
wurde.
6.0.2 Aufgaben
1. Lies den gesamten Text und unterstreiche anschließend mit einem Bleistift alle Schlüsselwörter mit einer Wellenlinie, alle Nebeninformationen mit einer geraden Linie.
2. Lies den Text nochmals durch. Wenn Du keine Änderungen mehr an Deinen Schlüsselwörtern und den Nebeninformationen hast, kennzeichne die Schlüsselwörter mit einem
Textmarker und unterstreiche die Nebeninformationen mit einer feinen roten Linie.
3. Erstelle einen Spickzettel mit den 12 wichtigsten Schlüsselwörtern (und Zeichnungen/
Skizzen wenn Du möchtest)
6.0.3 Fragen
1.
2.
3.
4.
5.
Was ist ein Atom?
Wie verhält es sich?
Wie kann man damit festen, ﬂüssigen und gasförmigen Aggregatzustand erklären?
Warum verteilen sich Stoﬀe im Raum / in Flüssigkeiten von selbst?
Erkläre die Begriﬀe „Vereinigung „ und „Zersetzung“ mit Hilfe der Atomhypothese von
Dalton.
6. Was ist ein Verbindung (am Beispiel von FeS)?
6.1 Wasserstoﬀ
w:Wasserstoﬀ4
Wasserstoﬀ ist das chemisches Element mit dem Symbol H (leitet sich vom lateinischen
hydrogenium ab). Man unterscheidet zwischen dem Element Wasserstoﬀ „H“ und dem molekularen Wasserstoﬀ „H2 “. Nur diese zweite Form kommt in der Natur auch tatsächlich vor.
Wasserstoﬀ ist mit nur einem w:Proton5 und einem w:Elektron6 das leichteste der chemischen Elemente. Wasserstoﬀ ist das leichteste aller Elemente (1,0079 u ). Der Schmelzpunkt
liegt bei -262°C, der Siedepunkt bei -253°C.
Molekularer Wasserstoﬀ H2 ist bei normaler Temperatur ein geruchloses und farbloses Gas,
etwa 14-mal leichter als Luft. Sein w:Diﬀusion7 und seine Wärmeleitfähigkeit sind die höchsten aller Gase und führen zu einer Reihe von technischen Problemen beim Umgang mit
3
4
5
6
7
104
http://de.wikipedia.org/wiki/Royal%20Society
http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoff
http://de.wikipedia.org/wiki/Proton
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektron
http://de.wikipedia.org/wiki/Diffusion
Wasserstoﬀ
Wasserstoﬀ. Wasserstoﬀ kann z. B. durch Stahl hindurch diﬀundieren und somit nur schwer
aufbewahrt werden. Auf diesem Gebiet wird allerdings viel geforscht, da man hoﬀt, dass
Wasserstoﬀ das Benzin als Treibstoﬀ für Autos ersetzen kann.
Entdeckt wurde Wasserstoﬀ vom englischen Chemiker w:Henry Cavendish8 im Jahre 1766.
Benannt wurde er von Antoine Lavoisier im Jahr 1787. Der Franzose taufte den Wasserstoﬀ als hydro-gène (hydro = Wasser, griechisch; genes = erzeugend). Das Wort bedeutet
demnach: „Wasser-Bildner“. Die deutsche Bezeichnung lässt auf die gleiche Begriﬀsherkunft
schließen.
Durch die Zersetzung von Wasser kann man Wasserstoﬀ leicht herstellen (Siehe Versuch mit
dem Dreischenkelgerät).
Wasserstoﬀ ist das häuﬁgste chemische Element im Weltall. Wasserstoﬀ macht 75% der gesamten Masse beziehungsweise 90% aller Atome im Universum aus. Sterne bestehen hauptsächlich aus Wasserstoﬀ-Plasma. Die Verschmelzung (=Kernfusion) von Wasserstoﬀatomen
zu Helium in Sternen bildet deren Energiequelle und ist vielleicht die größte Energiequelle
überhaupt. Diese Reaktion wird vom Menschen in der Wasserstoﬀbombe und in experimentellen Fusionsreaktoren genutzt. Wenn man diese Reaktion kontrollieren könnte, wären alle
Energieprobleme der Menschheit gelöst.
Auf der Erde sind von keinem anderen Element so viele Verbindungen bekannt. Hier kommt
es meist gebunden in Form von Wasser vor, aber auch in allen Lebewesen, in Erdöl, Erdgas
und in Mineralen. In der Atmosphäre der Erde kommt es aber fast gar nicht elementar vor;
der überwiegende Teil des Wasserstoﬀs auf der Erde ist in Wasser - an Sauerstoﬀ gebunden
- vorhanden. Andere natürliche Vorkommen sind Kohle und natürliche Gase, beispielsweise
Methan (CH4 ).
Die wichtigste Reaktion ist die Knallgasreaktion:
O2 +2 H2 → Energie+2H2 O
Knallgas ist eine explosionsfähige Mischung von Wasserstoﬀ und Sauerstoﬀ im Verhältnis
H:O=2:1. Beim Kontakt mit oﬀenem Feuer (Glut oder Funken) erfolgt die so genannte
Knallgasreaktion. Die Knallgasreaktion ist die explosionsartige Reaktion von Wasserstoﬀ
mit Sauerstoﬀ. Sie ist eine Form der Verbrennung.
Wasserstoﬀ lässt sich durch die Knallgasprobe nachweisen. Dabei entzündet man eine kleine
Menge Wasserstoﬀ in einem Reagenzglas. Wenn danach ein dumpfer Knall, ein Pfeifen oder
ein Bellen zu hören ist, so ist der Nachweis positiv (das heißt es war Wasserstoﬀ in dem
Reagenzglas).
6.1.1 Gewinnung
• durch die Reaktion verdünnter Säuren mit unedlen Metallen (z. B. Zink),
• durch Elektrolyse von Wasser, Natronlauge oder wässrigen Natriumchlorid-Lösungen
• durch Zersetzung des Wassers durch Alkalimetalle
8
http://de.wikipedia.org/wiki/Henry%20Cavendish
105
Dalton's Atomhypothese
• durch chemische Reaktion (Reformierung) von Erdgas und anderen Kohlenwasserstoﬀen
mit Wasserdampf w:Dampfreformierung9
6.2 Wiederholungsaufgaben
1. Warum blubbert kochendes Wasser?
2. Kann man aus sprudelndem Mineralwasser eigentlich einen Tee kochen, der normal
schmeckt? Erkläre an diesem Beispiel das Lösen von Gasen in Wasser.
3. Welches Gas ist eigentlich in Mineralwasser aufgelöst?
4. Warum trocknet eine gewischte Tafel eigentlich, sie ist doch kälter als der Siedepunkt
von Wasser?
5. Wie kann es in einem heißem Sommer passieren, dass die Fische in kleineren Seen
sterben? In welchen Jahreszeiten fühlen sich Fische demzufolge am wohlsten?
6. Beschreibe, was man beobachtet und was mit den Atomen passiert, wenn man Wasser
kocht.
7. Nenne drei Lösungsmittel und ordne ihnen Stoﬀe zu, die sich darin auﬂösen.
8. Warum kann sich Salz nicht in Waschbenzin auﬂösen. Welche Stoﬀe löst Waschbenzin
besser? Nenne eine passende Regel.
9. In welcher Lösungsmittelgruppe lösen sich: Säuren, Laugen, Salze, Nagellack, Butter,
Ölﬂecken.
10. Ein starker Raucher hat gelbe Finger und Zähne und in der Wohnung gelbverschmutzte Gardinen. Nur mit Wasser bekommt er es nicht sauber. Was ist für
die Verschmutzung verantwortlich und wie kann dem Raucher geholfen werden?
11. Erkläre, wie man eine übersättigte Salzlösung herstellen und wie man mit dieser einen
Kristall züchten kann.
12. Beim Kochen einer gefrorenen Salzlösung kann man zwei interessante Beobachtungen
machen. Erkläre sie.
13. Erkläre die Wirkung von Streusalz.
14. Warum wird in die Scheibenwaschanlage (im Winter) Alkohol zum Seifenwasser zugefügt?
15. Warum gefriert eine mit Alkohol enteiste Autoscheibe schneller wieder, als eine, die
freigekratzt wurde?
16. Warum wird stark verschmutze Wäsche bei 60°C und leicht verschmutzte Wäsche nur
bei 40°C gewaschen?
17. Nenne zwei Methoden, wie man fettige Hände nach dem Essen eines Hähnchens reinigen kann.
18. Ein Schüler hatte einen Motorschaden mit seinem Mofa. Er vermutet, dass ihm jemand
Zucker in den Tank getan hat.
a) Warum ist Zucker für den Motor gefährlich und wie wirkt er sich aus?
b) Kann man den Zucker noch nachweisen - und wie?
19. Warum schwimmen die Fettaugen in der Suppe oben?
20. Beschreibe die chemische Verbindung H2 O. Nenne Vorkommen, Eigenschaften und
Bedeutung.
9
106
http://de.wikipedia.org/wiki/Dampfreformierung
Wiederholungsaufgaben
21. Wie erklärst Du Dir den hohen Wasserverbrauch in Deutschland von bis zu 300 L pro
Tag und Person? (zum Vergleich: in einigen Entwicklungsländern liegt er bei 4 L pro
Tag und Person!)
22. Wie stellt man aus Wasser eigentlich Wasserstoﬀ her? Kann man das auch „kostenlos“
machen?
23. Beschreibe Wasserstoﬀ mit seinen Eigenschaften und Reaktionen.
24. Nenne chemische Trennungsmethoden und ordne ihnen passende Stoﬀgemische zu.
25. Wie funktioniert eigentlich eine Kläranlage?
26. Beschreibe die Extraktion von Erdnussöl.
27. Wie trennt man ein Sand-Salzgemisch?
28. Vervollständige die allgemeinen Aussagen eines Diagramms:
Je ................ die Gerade, desto höher die Geschwindigkeit. Unterbrechungen hingegen sagen etwas über den .................................... aus. ................... die Kurve , wie
gewohnt, danach weiter, so liegt ein ................................ vor, entsteht eine Stufe,
so war vielleicht der ..................... aus. Fällt die .................................. , so wurde
vielleicht kälteres Wasser zugefügt.
29. Welche Messfehler kann man beim Messen einer Temperatur-Zeitkurve erhalten? Zähle sie auf.
107
7 Gesetzmäßigkeiten chemischer
Reaktionen
7.1 Gesetze von der Erhaltung der Masse und der Energie
7.1.1 Massenerhaltung
Abb. 49
Was geschieht eigentlich mit der Masse der Reaktionsteilnehmer bei einer chemischen Reaktion? Dies zu überprüfen, ist gar nicht so einfach, da man dazu ein geschlossenes System
haben muss, in das kein neuer Stoﬀ eindringt, aber auch nichts entweicht. Um das zu erreichen, wird ein Rundkolben mit einem Luftballon gasdicht verschlossen. Ein Stopfen eignet
sich nicht zum Verschließen, er würde sofort durch die Wärmeausdehnung herausknallen!
109
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Versuchsbeschreibung
In einen Rundkolben werden Streichholzspitzen gefüllt. Er wird mit einem Luftballon verschlossen und gewogen.
Dann erhitzen wir den Kolben, bis sich die Streichholzköpfe entzünden.
Anschließend wiegen wir den Kolben erneut und vergleichen die gemessenen Gewichte.
Beobachtung
Der Luftballon dehnt sich aus und zieht sich wieder zusammen.
Gewicht vor der Reaktion: m1 = 50,41 g
Gewicht nach der Reaktion: m2 = 50,41 g
Schlussfolgerung
Das Gas dehnt sich bei Erwärmung aus und kontrahiert beim Abkühlen.
Deﬁnition
w:Antoine Lavoisier1 (1743 - 1794): Gesetz von der Erhaltung der Masse:
Rien ne se perd, rien ne se crée
Deﬁnition
7.2 Energieerhaltung
w:Albert Einstein2 (14.3. 1879 - 18.4.1955):
Umwandlung von Energie in Masse und von Masse in Energie ist möglich.
E = m · c2 (c = Lichtgeschwindigkeit = 300.000 km/s)
Deﬁnition
Wird Energie frei, tritt ein unwägbar kleiner Massenverlust auf. Wird Energie investiert,
tritt Massenzunahme auf. Dieses kann allerdings mit herkömmlichen Waagen nicht gemessen
werden.
1
2
110
http://de.wikipedia.org/wiki/Antoine%20Lavoisier
http://de.wikipedia.org/wiki/Albert%20Einstein
Energieerhaltung bei chemischen Reaktionen
7.3 Energieerhaltung bei chemischen Reaktionen
In einem späteren Schuljahr wirst du dies als w:Thermodynamik#Erster Hauptsatz3 kennenlernen.
Versuchsbeschreibung
Bei diesem Versuch wird nasses CaO getrocknet. Anschließend wird wieder Wasser zugegeben.
Beobachtung
Wir beobachten, dass Energie zum Entfernen des Wassers benötigt wird. Die Zugabe von
Wasser setzt Energie frei.
Wasser, CaO und Becherglas und Thermometer werden gewogen. Dann wird das Wasser
zugegeben. Die Temperatur steigt.
Schlussfolgerung
Woher stammt die freiwerdende Energie (Temperatur)?
Eine praktische Erklärung
Nach Einstein ist E=mc2 . Wenn c eine Konstante ist und nach dem ersten Gesetz die
Masse sich nicht ändert, so muss auch die Gesamtenergie bei chemischen Reaktionen
unverändert bleiben.
⇒ Wenn Benzin verbrennt und Energie frei wird, muss sie schon vorher enthalten sein.
⇒Der Stoﬀ muss also eine Art innerer Energie besitzen.
7.4 Gesetz der konstanten Massenverhältnisse
Statt von Massenverhältnissen zu sprechen, kann man auch Proportionen sagen.
w:Joseph Louis Proust4 1754 - 1826 war Apotheker in Paris und auch Forscher in Madrid,
wo er vom spanischen König bezahlt wurde. Er musste für seine Medikamente viele Kräuter
mischen und reagieren lassen und war daran interessiert, so wenig wie möglich bei einer
Reaktion an Resten „über“ zu haben, also zu verschwenden, da die Kräuter selten und teuer
waren. Er untersuchte also chemische Reaktionen unter dem Aspekt der Masse.
Um seine Erkenntnisse zu verstehen, kann man ein einfaches Masseexperiment durchführen,
welches schon bekannt ist, die Vereinigung von Kupfer mit Schwefel:
3
4
http://de.wikipedia.org/wiki/Thermodynamik%23Erster%20Hauptsatz
http://de.wikipedia.org/wiki/Joseph%20Louis%20Proust
111
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Versuchsbeschreibung
Mehrere Schülergruppen wiegen ein Kupferblech vor und nach der Vereinigung mit Schwefel.
Dann wird der Mittelwert aller Messungen bestimmt und das Massenverhältnis berechnet.
Beobachtung
Der Mittelwert aller Messungen lautet:
• Kupferblech vor der Reaktion: 6g
• Kupferblech nach der Reaktion: 7,5g
⇒ Das Kupfer hat mit 1,5g Schwefel reagiert.
Schlussfolgerung
Schwefel +Kupferblech → Energie+Schwefelkupfer
So wird das Verhältnis berechnet:
mKupfer
4
6g
=
=
mSchwefel 1, 5g 1
Folgende Graﬁk soll Dir verdeutlichen, dass der Zusammenhang bei jeder Masse besteht und
proportional ist. D.h. Das konstante Massenverhältnis von Kupfer zu Schwefel ist immer
4:1
Abb. 50
112
Proportionalität zwischen der Masse von Kupfer und Schwefel
Aufgaben zum Rechnen mit Massenverhältnissen
w:Joseph Louis Proust5 (1799): Gesetz der unveränderlichen Massenverhältnisse
Deﬁnition
7.5 Aufgaben zum Rechnen mit Massenverhältnissen
1. Eisen + Schwefel (Fe + S):
a) Bei einem Versuch reagieren 140 g Eisen mit 80 g Schwefel. Stelle die Reaktionsgleichung auf und bestimme das Massenverhältnis.
b) Wie viel Schwefel braucht man für 105 g Eisen?
c) Bei einer anderen Vereinigung werden zu einem Eisenblech 200 g Schwefel gegeben.
Die Vereinigung verläuft vollständig. Wie schwer war das Eisenblech?
2. Kupfer und Schwefel (Cu + S):
a) Ein Kupferblech wiegt 400 g. Es wird mit Schwefel vereinigt. Nach der Reaktion
wiegt es 600 g. Wie groß ist die Masse des Schwefels der reagiert hat?
b) Bestimme das Massenverhältnis.
c) Wieviel Gramm Schwefel braucht man für die Reaktion von 233 g Cu?
3. Wasserstoﬀ und Sauerstoﬀ (H + O):
a) Auch Gase haben ein Gewicht. 8 g Wasserstoﬀ und 64 g Sauerstoﬀ vereinigen
sich beim Entzünden mit einem lauten Knall. Stelle die Reaktionsgleichung auf und
bestimme das Massenverhältnis.
b) Wie viel Gramm Wasserstoﬀ braucht man für 12 g Sauerstoﬀ?
5
http://de.wikipedia.org/wiki/Joseph%20Louis%20Proust
113
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
7.6 Gesetz der konstanten Massenverhältnisse
Abb. 51
Die konstanten Masseverhältnisse bei der Bildung von FeS
⇒
Eisen und Schwefel reagieren im Massenverhältnis 7:4 miteinander
Dieses Ergebnis gilt auch bei großen Massen (z.B. Tonnen)!
Daraus folgt das
Gesetz der konstanten Massenverhältnisse:
Deﬁnition
7.7 Zerlegbarkeit von Stoﬀen
Schon der Grieche w:Demokrit6 - 460 - 371 v. Chr. - nahm an, dass man Stoﬀe nicht
beliebig weit zerkleinern kann. Er vermutete ein unteilbares Teilchen, welches er „Atomos“
nannte, nach dem griechischen Wort für unteilbar.
6
114
http://de.wikipedia.org/wiki/Demokrit
Daltons Atomhypothese
Für die Existenz von winzigen Teilchen sprechen viele Befunde:
Versuchsbeschreibung
Brom ist ein bei Raumtemperatur gerade noch ﬂüssiges Nichtmetall, welches bei Freisetzung sofort verdunstet. Zum Beweis, dass die Flüssigkeit Brom aus kleineren Bestandteilen
besteht, wird ein Tropfen Brom in einen mit Luft gefüllten Gaszylinder getropft.
Beobachtung
Der braune Dampf breitet sofort sich aus und verteilt sich im ganzen Zylinder
Schlussfolgerung
Die Teilchen verteilen sich selbstständig im Raum. Man nennt diesen Vorgang Diﬀusion.
Dies ist die Verteilung von Teilchen aufgrund ihrer Eigenbewegung (siehe auch Kapitel 5 Versuch des Kaliumpermanganatkristalls in Wasser7 )
Weiterhin spricht für die „Atom-Theorie“, dass viele Stoﬀe Kristalle bilden:
Versuchsbeschreibung
Man erstellt eine gesättigte Alaunlösung. Ein kleiner Impfkristall wird in die Alaunlösung
gehängt.
Beobachtung
Der Kristall wächst und bildet einen Oktaeder.
Schlussfolgerung
Kleinste Teilchen legen sich an die Oberﬂäche in ganz bestimmter Weise aneinander. Es bildet sich ein großer Kristall. Jede neue Schicht vergrößert den Kristall, lässt die Grundgestalt
aber unverändert.
7.8 Daltons Atomhypothese
w:Atommodell#Daltons_Atomhypothese_.281808.298
w:John Dalton9 , geboren am 6. September 1766 in Eaglesﬁeld, England war ein englischer
Naturwissenschaftler und Lehrer. Sein Vater war als Weber reich genug, seinen Sohn auf
eine Schule zu schicken. Für die damalige Zeit keine Selbstverständlichkeit. Schon im Alter
von 12 Jahren wurde er selbst an dieser Schule als Lehrer tätig. Im Alter von 15 Jahren
(also 1781) begann er im benachbarten Kendal mit seinem Bruder und seinem Cousin eine
neue Schule zu leiten. 12 Jahre später (1793) wird er an das „New College“ nach Manchester
berufen, wo er Studenten unterrichtete sollte. Er starb am 27.7.1844, im Alter von 78 Jahren
in Manchester.
Sein Interesse galt vielen Dingen, vor allem aber den Vorgängen der Natur. Durch seine
meteorologische Beobachtungen vermutete er schon 1787, dass Regen durch ein Sinken der
Atmosphärentemperatur entsteht. Weiterhin arbeitete er auf dem Gebiet der Wärmeausdehnung von Gasen und formulierte ein Gesetz dazu (das „Dalton-Gesetz der Partialdrücke“). John Dalton entdeckte auch die Farbenblindheit, an der er selbst litt. Seine wichtigste
7
8
9
Kapitel 5.2 auf Seite 81
http://de.wikipedia.org/wiki/Atommodell%23Daltons_Atomhypothese_.281808.29
http://de.wikipedia.org/wiki/John%20Dalton
115
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Theorie veröﬀentlichte er 1803 zu den chemischen Elementen. Er vermutet, dass alle Stoﬀe
aus Atomen bestehen. Diese neue Theorie wurde nach ihm „Daltonsche Atomhypothese“
benannt:
1. Materie besteht aus extrem kleinen, bei Reaktion ungeteilt bleibenden Teilchen, den
Atomen.
2. Die Masse der Atome eines bestimmten Elements sind gleich (alle Atome eines
Elements sind gleich). Die Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in ihren
Eigenschaften (zum Beispiel in Größe, Masse, usw.).
3. Es existieren so viele Atomsorten wie Elemente.
4. Bei chemischen Reaktionen werden Atome in neuer Kombination vereinigt oder voneinander getrennt.
5. Eine bestimmte Verbindung wird von den Atomen der betreﬀenden Elemente in einem
bestimmten, einfachen Zahlenverhältnis gebildet.
Sein bedeutendster Beitrag dürfte sein 1808 veröﬀentlichtes Buch „A New System Of Chemical Philosophy“ sein. Darin schlug Dalton vor, das Atomgewicht der Elemente auf das
leichteste Element, den Wasserstoﬀ zu beziehen. Diesem ordnete er dabei die Masse 1u zu.
(u steht für „unit“ = Einheit). Seine Messungen waren für die damalige Zeit und die zur
Verfügung stehenden Messgeräte erstaunlich genau! Er stelle gleichzeitig eine Tabelle der
Atomgewichte auf, in der die Atome nach steigender Masse angeordnet waren. Diese waren
eine wichtige Vorlage für die spätere Aufstellung des Periodensystems der Elemente.
1822 wurde er Mitglied der Englischen w:Royal Society10 . Von dieser erhielt er als erster
die Goldmedaille für seine Verdienste auf dem Gebiet der Chemie. 1830 wählte man ihn als
erstes ausländisches Mitglied in die französische „Académie Des Sciences“ in Paris. Letzteres
war die höchste Ehrung, die einem englischen Wissenschaftler im 19. Jahrhundert verliehen
wurde.
7.8.1 Aufgaben
1. Lies den gesamten Text und Unterstreiche anschließend mit einem Bleistift alle Schlüsselwörter mit einer Wellenlinie, alle Nebeninformationen mit einer geraden Linie.
2. Lese den Text nochmals durch, wenn Du keine Änderungen mehr an Deinen Schlüsselwörtern und den Nebeninformationen hast, kennzeichne die Schlüsselwörter mit einem
Textmarker und unterstreiche die Nebeninformationen mit einer feinen roten Linie.
3. Erstelle einen Spickzettel mit den 12 wichtigsten Schlüsselwörtern (und Zeichnungen
/ Skizzen wenn Du möchtest).
7.9 Dalton bestimmte das Atomgewicht durch Vergleich
von Atommassen
Natürlich kann man Atommassen nicht direkt vergleichen, weil man die Atome nicht einzeln
in die Waagschale legen kann. Auch Dalton ging so vor, wie wir das bei unserem Versuch
mit dem Kupferblech gemacht haben.
10
116
http://de.wikipedia.org/wiki/Royal%20Society
Dalton bestimmte das Atomgewicht durch Vergleich von Atommassen
Abb. 52
Versuchsaufbau Leitfähigkeit von Lösungen
Wenn man die relative Atommasse auf ein Atom bezieht und in Gramm ausrechnet, bemerkt
man, wie gering die Masse eines Atoms ist:
Die Masse eines Wasserstoﬀatoms beträgt:
0,000 000 000 000 000 000 000 001 637g
Die Masse eines Sauerstoﬀatoms beträgt:
0,000 000 000 000 000 000 000 0267g
117
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
7.9.1 Warum ist das Massenverhältnis konstant?
Nimmt man die Masse von zwei Atomen Wasserstoﬀ und einem Atom Sauerstoﬀ, so erhält
man folgendes Verhältnis:
2 · 0, 000000000000000000000001637g
2 · mH
1
=
=
mO
0, 0000000000000000000000267g
8, 15
Nimmt man statt einem Atom beispielsweise 12345 Atome, so erhält man wieder das gleiche
Massenverhältnis:
12345 · 2 · mH
12345 · 2 · 0, 000000000000000000000001637g
1
=
=
12345 · mO
12345 · 0, 0000000000000000000000267g
8, 15
Deﬁnition
7.10 Erklärung des Gesetzes der konstanten
Massenverhältnisse
Beispiel: Eisensulﬁd
118
+
+
+
7 g Eisen
9 g Eisen
7 g Eisen
4 g Schwefel
4 g Schwefel
5 g Schwefel
−→
−→
−→
11 g Eisensulﬁd
11 g Eisensulﬁd
11 g Eisensulﬁd
+
+
2 g Eisen
1 g Schwefel
+
+
+
Energie
Energie
Energie
Erklärung des Gesetzes der konstanten Massenverhältnisse
119
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Deﬁnition
Wichtig: Es können nur ganze Atome reagieren (da sie chemisch unteilbar sind)
Abb. 53
120
Bildung von FeS
+
+
7g Fe
5 ·56u
gewogen
bzw:
+
5 Atome Fe
gezählt
5 ·32u
4g S
5 Atome S
−→
−→
−→
S
5 Moleküle
+
Energie
FeS
e
⇒ Anzahlverhältnis 5AtomeF
= 11
5AtomeS
11g FeS
+
Energie
= 74
⇒ Massenverhältnis 7g
4g
5 ·88u
+
Energie
Fe
⇒ Massenverhältnis m
= 280
= 74
m
160
Erklärung des Gesetzes der konstanten Massenverhältnisse
121
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Frage
Hat damit Dalton das Gesetz der konstanten Massenverhältnisse schon erklärt?
Deﬁnition
Beispiel:
mF e
mS
=
1·56u
1·32u
=
7
4
=
1.000·56u
1000·32u
Deﬁnition
Ein Vergleich: Im Klassenraum sind Jungen (alle 70 kg) und Mädchen (50 kg). Egal wie
viele Mädchen mit Jungen sich zu Paaren zusammenstellen, es kommt immer das Verhältnis
7:5 pro Paar heraus.
7.10.1 Aufgaben
1. Schreibe einen Aufsatz, der erklärt, inwiefern Daltons Atomhypothese das Gesetz der
konstanten Proportionen erklärt.
2. Erkläre die Konsequenzen der Aussage „Eisen reagiert mit Schwefel zu Eisensulﬁd.
Genau ein Atom Eisen reagiert dabei immer mit einem Atom Schwefel“
3. Was kann man mit diesem Wissen nun alles aus der Formel „FeS“ herauslesen?
4. Was passiert wenn wir mehr Schwefel nehmen (⇒ S Atome bleiben übrig. (siehe
Anfang!))
7.11 Gesetz der multiplen Proportionen
Ein Mineralsammler ﬁndet einen schwarzen Brocken mit Eisensulﬁd (FeS) sowie einen Brocken eines goldenen Minerals. Eine Untersuchung ergibt für beide (!), dass nur Fe und S
enthalten ist. Nach einer quantitativen Analyse des goldenen Minerals wissen wir mehr.
122
Gesetz der multiplen Proportionen
Abb. 54
Bildung von FeS
123
+
+
7g Fe
5 ·56u
gewogen
bzw:
+
2*5 Atome Fe
gezählt
124
2·32u
8g S
5 Atome S
−→
−→
−→
S
5 Moleküle
+
FeS2
e
⇒ Anzahlverhältnis 5AtomeF
= 12
10AtomeS
15g FeS2
+
= 78
⇒ Massenverhältnis 7g
8g
5 ·88u
+
Fe
⇒ Massenverhältnis m
= 56
= 87
m
64
Energie
Energie
Energie
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Gesetz der multiplen Proportionen
Durch diesen Wert kann man nun die Formel und den Namen des Minerals mit der passenden
Fachliteratur bestimmen: Das Mineral heißt w:Eisenkies11 (Pyrit, Katzengold, fools gold)
und kommt z.B. in Silberbergwerken vor. Seine Formel ist FeS2
Deﬁnition
Deﬁnition
Deﬁnition
7.11.1 Vergleiche:
Eisensulﬁd 1: schwarzes Pulver, magnetisch (⇒ Magnetkies)
Bildung durch: 7 g Eisen + 4 g Schwefel−→11 g Eisensulﬁd 1 (=Magnetkies)
mF e
mS
=
7g
4g
=
7
4
Eisensulﬁd 2: gold-metallisch glänzend, nicht magnetisch ( ⇒ Eisenkies, Katzengold,
Pyrit),
Bildung durch: 7 g Eisen + 8 g Schwefel −→ 15 g Eisensulﬁd 2 (=Eisenkies)
Diese Reaktion erfordert speziellen Reaktionsbedingungen, wie sie z.B. im Erdinneren, bei hohem Druck und hoher Temperatur vorliegen.
mF e
mS
=
7g
8g
11
http://de.wikipedia.org/wiki/Eisenkies
125
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
=
x∗7
y∗4
⇒
x=1
y=2
Berechnung des tatsächlichen Massenverhältnis
dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler: Vorlage: Merksatz
Deﬁnition
Mit diesem Wissen wurden von Chemikern nun viele Mineraliensucher ausgeschickt, die
rausﬁnden sollten, welche Verbindungen es wirklich gibt. In der Natur ﬁndet man allerdings
nicht alle denkbaren Vielfachen, obwohl theoretisch viele möglich sind.
⇒ Es stellt sich heraus, dass es tatsächlich nur wenige Elementkombinationen gibt.
Ein weiteres Eisensulﬁd wurde aber tatsächlich noch gefunden, die Analyse ergab ein Massenverhältnis von Fe : S = 14 : 12
⇒ MV =
7∗2
4∗3
=
7
6
⇒ 7 g Eisen vereinigen sich mit 6 g Schwefel vollständig.
Abb. 55
126
Bildung von FeS
Regeln für die chemische Formel
2 Fe + 3 S
−→
Fe2 S3
Deﬁnition
Dieses Wissen erforderte eine neue Schreibweise für chemische Verbindungen:
7.12 Regeln für die chemische Formel
Bsp.: C6 H12 O6 (Traubenzucker)
1. Anschreiben der Symbole der an der Verbindung beteiligten Elemente (C, H, O).
2. Das Anzahlverhältnis der Atome wird durch tief gestellte Zahlen ausgedrückt.
3. Symbole der Metalle werden vorangestellt.
7.12.1 Aufgaben
1. Wie viele Atome sind in Schwefelsäure (Phosphorsäure) miteinander vereinigt?
2. Fe reagiert mit S unter hohem Druck im Massenverhältnis 7/6. Bestimme das Atomverhältnis.
3. Schwefel verbrennt an der Luft mit blassblauer Flamme. Wenn der Schwefel in reinem
Sauerstoﬀ verbrennt leuchtet er blau und es entsteht ein weißer Feststoﬀ:
Stelle die zwei Reaktionsgleichungen auf und bestimme die Massenverhältnisse.
4. Die Gase Stickstoﬀ und Sauerstoﬀ verbinden sich im Automotor im Massenverhältnis
N:O = 7/16. Bestimme die Formel des entstehenden Gases
5. Eine Müllverbrennungsanlage verbrennt am Tag 1000 kg Kunststoﬀe. Diese enthalten 950 kg Kohlenstoﬀ. 95% davon verbrennen vollständig zu Kohlenstoﬀdioxid. 5%
verbrennen unvollständig zu Kohlenstoﬀmonooxid. Stelle beide Reaktionsgleichungen
auf und bestimme die Massen der entstehenden Gase.
7.12.2 Aufgaben zum Rechnen
1. Eisen reagiert mit Schwefel unter hohem Druck im Massenverhältnis 14/12. Bestimme
das Atomverhältnis.
2. Die Gase Stickstoﬀ und Sauerstoﬀ verbinden sich im Automotor im Massenverhältnis
N:O = 7/8 Bestimme die Formel des entstehenden Gases
3. Im Labor lässt sich Stickstoﬀ aber auch in anderen Massenverhältnissen oxidieren. So
reagieren 126 g Stickstoﬀ mit 288 g Sauerstoﬀ zu einem gelben Gas. Bestimme das
Massenverhältnis und bestimme die Formel des gelben Gases.
4. Im Dieselkraftstoﬀ ist Schwefel enthalten. Es bildet sich bei der Verbrennung im Motor
das Gas Schwefeldioxid.
a) Stelle die Reaktionsgleichung (mit „C“ als Dieselkraftstoﬀ) auf.
127
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
b) Bestimme, wie viel Gramm Schwefeldioxid pro kg Sauerstoﬀ entstehen.
c) In einem Liter Dieselkraftstoﬀ sind (ca.) 10 g Schwefel enthalten. Bestimme die
Masse an Schwefeldioxid, die bei einer Fahrstrecke von 100 km (Verbrauch 5l /
100 km) entsteht.
5. Wenn reiner Kohlenstoﬀ in reinem Sauerstoﬀ verbrennt, ist kein Produkt zu sehen.
Kann man es dennoch beweisen?
6. Bei einem Versuch reagieren 21 g Eisen mit 12 g Schwefel. Stelle die Reaktionsgleichung auf und bestimme das Massenverhältnis. Wie viel Schwefel braucht man für
25 g Eisen?
7.12.3 Wiederholungsfragen
Die Wiederholungsfragen beziehen sich auf dieses Kapitel und alle Kapitel für Klasse 8.
Unglaublich leichte Wiederholungsfragen
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
Ist Luft (Wasser?) ein Element? Begründe!
Erkläre: Element - Verbindung - Gemisch.
Was ist ein Metalloxid (Nichtmetalloxid)? Nenne je zwei Beispiele.
Wie kann man Metallsulﬁde bilden. Nenne ein Beispiel.
Erkläre die Vereinigung von Kupfer mit Schwefel (Eisen mit Schwefel).
Was ist eine Vereinigung, was ist eine Zersetzung?
Nenne Stationen in Daltons Leben.
Beschreibe, was man erhält, wenn man Säure und Lauge gleicher Konzentration
mischt.
Was sagt der Massenerhaltungssatz aus?
Was sagt der Energieerhaltungssatz aus?
Was sagt das Gesetz der vielfachen Massenverhältnisse aus?
Worin liegt die Erweiterung des Gesetzes der vielfachen Massenverhältnisse im Vergleich zu dem der konstanten Massenverhältnisse?
Welcher Stoﬀ entsteht, wenn man Phosphoroxid und Wasser mischt (Natriumoxid)?
Welcher Stoﬀ entsteht, wenn man Stickoxid (NO2 ) und Wasser mischt?
Welcher Stoﬀ entsteht, wenn man Kohlenstoﬀdioxid und Wasser mischt?
Nenne die Formel für Sauerstoﬀ, Wasserstoﬀ, Stickstoﬀ, Wasser und Kohlenstoﬀdioxid
Was ist eine Säure, was ist eine Lauge? Wie macht man eine Säure unschädlich?
Stelle die Reaktionsgleichung der Bildung von Fe2 O3 auf (SO2 , SO3 , CO2 )
Nenne 5 Säuren mit Formel (3 Laugen mit Formel, 5 Säurereste mit Formel).
TIPP: Lerne nochmals alle Säuren, Laugen und die Säurereste auswendig!
Halsbrecherische, ﬁese und vor allem testrelevante Fragen zum Tüfteln
1. Erstelle eine Übersicht der chemischen Gesetze, indem Du das Gesetz jeweils formulierst und mindestens ein Beispiel ﬁndest.
2. Fe verbrennt mit Schwefel unter hohem Druck im Massenverhältnis 7/6. Bestimme
das Atomverhältnis!
128
Volumenverhältnisse bei chemischen Reaktionen
3. Zwei Atome verbinden sich im Massenverhältnis 1: Wie heißt die Verbindung? (Für
Proﬁs: 2: 16)
4. Die Gase Stickstoﬀ und Sauerstoﬀ verbinden sich im Automotor im Massenverhältnis
N:O = 7/16. Bestimme die Formel des entstehenden Gases.
5. 2,4 g Magnesium und 7,0 g Chlor reagieren miteinander. Bestimme die Formel der
Verbindung.
6. Eine Müllverbrennungsanlage verbrennt am Tag 1000 kg Kunststoﬀe. Diese enthalten 950 kg Kohlenstoﬀ. 95% davon verbrennen vollständig zu Kohlenstoﬀdioxid.
5% verbrennen unvollständig zu Kohlenstoﬀmonooxid. Stelle beide Reaktionsgleichungen auf und bestimme die Massen der entstehenden Gase.
7. Eisen reagiert mit Schwefel unter hohem Druck im Massenverhältnis 14/12. Bestimme
das Atomverhältnis.
8. Die Gase Stickstoﬀ und Sauerstoﬀ verbinden sich im Automotor im Massenverhältnis
N:O = 7/8. Bestimme die Formel des entstehenden Gases.
9. Im Labor lässt sich Stickstoﬀ aber auch in anderen Massenverhältnissen oxidieren. So
reagieren 126 g Stickstoﬀ mit 288 g Sauerstoﬀ zu einem gelben Gas. Bestimme das
Massenverhältnis und bestimme die Formel des gelben Gases.
10. Im Dieselkraftstoﬀ ist Schwefel enthalten. Es bildet sich bei der Verbrennung im Motor
das Gas Schwefeldioxid.
a) Stelle die Reaktionsgleichung (mit „C“ als Dieselkraftstoﬀ) auf
b) Bestimme, wie viel Gramm Schwefeldioxid pro kg Sauerstoﬀ entstehen
c) In einem Liter Dieselkraftstoﬀ sind (ca.) 10 g Schwefel enthalten. Bestimme die
Masse an Schwefeldioxid, die bei einer Fahrstrecke von 100 km (Verbrauch 5l /
100 km) entsteht. Bei einem Versuch reagieren 21 g Eisen mit 12 g Schwefel. Stelle
die Reaktionsgleichung auf und bestimme das Massenverhältnis. Wie viel Schwefel
braucht man für 25 g Eisen?
7.13 Volumenverhältnisse bei chemischen Reaktionen
In diesem Versuch wird die Zersetzung von Wasser durch elektrische Energie im Hoﬀmann’schen Zersetzungsapparat gezeigt.
129
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Abb. 56
Zersetzung
Wir beobachten wie Gasblasen aufsteigen am
-Pol: Knallgasprobe positiv +Pol: Glimmspanprobe positiv
Unsere Schlussfolgerung lautet, dass
Wasser (l) + Energie −→ Wasserstoﬀ (g) + Sauerstoﬀ (g)
VW asserstof f
=
VSauerstof f
2
1
2 Vol Wasserstoﬀ + 1 Vol Sauerstoﬀ −→ 2 Vol Wasserdampf + E
Exkurs: Verbrennung von Kohlenstoﬀ:
Abb. 57
130
Verbrennung von Kohlenstoﬀ
Volumenverhältnisse bei chemischen Reaktionen
also:
Abb. 58
Verbrennung von Kohlenstoﬀ zu Kohlenstoﬀmonoxid
⇒ Sauerstoﬀ ist ein zweiatomiges Molekül: O2
7.13.1 Wie kommt es dazu, dass doppelt so viel Wasserstoﬀ entsteht?
Abb. 59
Zersetzung von Wasser
also:
Abb. 60
Zersetzung von Wasser zu Wasserstoﬀ und Sauerstoﬀ
Weitere Beispiele:
Hier ein paar Beispiele:
1 Vol Wasserstoﬀ + 1 Vol Chlor −→ 2 Vol Chlorwasserstoﬀ (g) + E
3 Vol Wasserstoﬀ + 1 Vol Stickstoﬀ −→ 2 Vol Ammoniak
(g) +E
131
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Volumengesetz nach Gay-Lussac:
dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler: Vorlage: Merksatz
Deﬁnition
132
Beispiel:
+
+
+
1 RT Wasserstoﬀ (g)
2 RT Wasserstoﬀ (g)
3 RT Wasserstoﬀ (g)
1 RT Stickstoﬀ (g)
1 RT Sauerstoﬀ (g)
1 RT Chlor (g)
−→
−→
−→
2 RT Chlorwasserstoﬀ (g)
2 RT Wasserdampf
(g)
2 RT Ammoniak (g)
Volumenverhältnisse bei chemischen Reaktionen
133
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Hypothese von Avogadro:
dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler: Vorlage: Merksatz
Deﬁnition
Beispiel:
Abb. 61
Bildung von Chlorwasserstoﬀ
Abb. 62
Clorwasserstoﬀbildung
Abb. 63
Wasserdampfbildung
Abb. 64
Amoniakbildung
134
Die Oxidationszahl
Merke: Kleinste Teilchen, die aus zwei oder mehreren Atomen zusammengesetzt sind, nennt man Moleküle.
Deﬁnition
Unterscheide: 1 H2 = 1 Molekül Wasserstoﬀ, 1 H = 1 Wasserstoﬀatom, 2 NH3 = 2 Moleküle
Ammoniak
7.14 Die Oxidationszahl
Bei der Oxidationszahl handelt es sich um eine nützliche Hilfszahl. Statt Oxidationszahl zu
sagen kannst du auch von der Wertigkeit sprechen.
• Wertigkeiten werden als römische Ziﬀer über den entsprechenden Atomsymbolen angegeben.
• Elemente haben stets die Wertigkeit 0.
z.B.:
0
0
0
Cl,
H2 ,
Au
• Sauerstoﬀ besitzt in Verbindungen die Wertigkeit -II.
z.B.:
+II -II
MgO,
+I -II
H2 O,
+IV -II
SO2
• Wasserstoﬀ besitzt in Verbindungen die Oxidationszahl +I.
z.B.:
+I -I
HCl,
+I -II
H2 O,
-III +I
N H3
• Atome, die Wasserstoﬀ ersetzen, erhalten positive Vorzeichen.
z.B.:
+I -I
NaCl,
+I -II
Li2 O,
• Atome, die Wasserstoﬀ binden, erhalten negative Vorzeichen.
z.B.:
+I -I
HF,
+I -II
H2 S,
-III +I
P H3
• Der Betrag der Oxidationszahl ergibt sich aus der Zahl der ersetzten bzw. gebundenen
Wasserstoﬀatome.
z.B.: s.o.
• Die Summen der Oxidationszahl in Molekülen bzw. Verbindungen ergibt immer 0.
135
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
z.B.: s.o.
• Die Oxidationszahl der Elemente der ersten 3 Hauptgruppen in Verbindungen (!) ist
immer positiv und entspricht der Hauptgruppennummer.
z.B.:
+I -I
NaCl,
+II -II
M gO,
+III -II
Al2 O3
• Bei Ionen entspricht die Oxidationszahl der Ionenladung. Somit haben auch Säurereste
die der Ladung entsprechende Oxidationszahl.
z.B.:
+I
N a+ ,
+II
M g 2+ ,
+III
Fe3+ ,
-II
S2-
7.14.1 Aufgaben
Stelle die Wertigkeiten für die folgenden Elemente und Verbindungen auf:
Cu, NH4 Cl, HBr, KBrO3 , H2 O, NaCl, H3 PO4 , Mg, I2 , C6 H12 O6 , CO2 , HClO4 , Al2 (SO4 )3 ,
H2 SO4 , BaCl2 , AgCl, AgNO3 , AlCl3 , CaCO3 , CaCl2 , Br2 , Fe2 O3 , FeCl3 , KHSO4 , SO2 , N2 ,
NaNO3 , NH3 , KI, HCl, H2 O, MgO, Al2 O3 , NaCl, N2 , NaOH, NH3 , SO2 , CaO, H2 S, SO3 ,
K2 O, Na2 CO3 , N2 O3 , BaO2 , Cl2 O3 , SeF6 , K2 SnO3 , H2 N2 O2 , CaB2 O4 , Cr2 O4 2-, Cr2 O7 2- ,
AsO4 3-, MnO4 -, HOBr, HBrO2 , HBrO3 , HBrO4 , SCl2 , PCl3 , BCl3 , SnH4 , SbCl5 ,
7.14.2 Säurereste und Wertigkeit (=Oxidationszahlen)
Säure HCl ⇒ Säurerest ist Cl (Chlorid) ; Oxidationszahl/ Wertigkeit ist -I Säure HNO3 ⇒
Säurerest ist NO3 (Nitrat) ; Oxidationszahl/ Wertigkeit ist -I
Säure H2 SO4 ⇒ Säurerest ist SO4 (Sulfat) ; Oxidationszahl/ Wertigkeit ist -II Säure
H2 CO3 ⇒ Säurerest ist CO3 (Carbonat) ; Oxidationszahl/ Wertigkeit ist -II
Säure H3 PO4 ⇒ Säurerest ist PO4 (Phosphat) ; Oxidationszahl/ Wertigkeit ist -III
Deﬁnition
7.14.3 Oxide bei Stickstoﬀ
Stickstoﬀ ist ein Element, welches viele verschiedene Oxide bildet. Dies ist nun auch nach
dem Gesetz der vielfachen Massenverhältnisse möglich.
Wertigkeit
+I
+II
+III
+IV
136
Formel
N2 O
NO
N2 O3
NO2
Name I
Stickstoﬀ-(I)-oxid
Stickstoﬀ-(II)-oxid
Stickstoﬀ-(III)-oxid
Stickstoﬀ-(IV)-oxid
Name II
Distickstoﬀmonoxid
Stickstoﬀmonoxid
Distickstoﬀtrioxid
Stickstoﬀdioxid
Die griechischen Zahlen
+IV
+V
N 2 O4
N 2 O5
Stickstoﬀ-(IV)-oxid
Stickstoﬀ-(V)-oxid
Distickstoﬀtetraoxid
Distickstoﬀpentaoxid
7.15 Die griechischen Zahlen
137
arabische (normale) Entsprechung
1
2
3
4
griechische Zahl
mono
di
tri
tetra
138
penta
hexa
hepta
octa
griechische Zahl
5
6
7
8
arabische (normale) Entsprechung
nona
deca
griechische Zahl
arabische
(normale)
Entsprechung
9
10
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Die griechischen Zahlen
7.15.1 Regeln zum Erstellen von Reaktionsgleichungen
1. Wortgleichung erstellen. Dazu Ausgangsstoﬀe und Endstoﬀe aufschreiben.
z.B. Aluminium + Sauerstoﬀ−→ Aluminiumoxid
2. Chemische Symbole darunter schreiben.
139
z.B.
Aluminium
Al
+
+
Sauerstoﬀ
O2
−→
−→
Aluminiumoxid
AlO
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
140
Die griechischen Zahlen
3. Mit Hilfe der Wertigkeit die Anzahlverhältnisse bei Verbindungen festlegen.
141
z.B.
Aluminium
0
Al
142
+
+
Sauerstoﬀ
0
O2
−→
−→
Aluminiumoxid
III -II
Al2 O3
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Die griechischen Zahlen
4. Die Anzahl der Atome auf beiden Seiten ausgleichen. (Vorsicht, die Formeln
selbst dürfen jetzt nicht mehr verändert werden!)
143
z.B.
Aluminium
0
4Al
144
+
+
Sauerstoﬀ
0
3O2
−→
−→
Aluminiumoxid
III -II
2Al2 O3
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Die griechischen Zahlen
5. Überlegen, ob Energie benötigt oder freigesetzt wird?
145
z.B.
Aluminium
0
4Al
146
+
+
Sauerstoﬀ
0
3O2
−→
−→
Aluminiumoxid
III -II
2Al2 O3
+
E
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Die griechischen Zahlen
Tipps:
1. Nur Wasserstoﬀ, Stickstoﬀ, Sauerstoﬀ (und die Elemente der 7 HG) kommen als zweiatomiges Element vor:
⇒ H2 , N2 , O2 , F2 , Cl2 , Br2 , I2 (es gibt also niemals Fe2 oder Al4 !!!)
2. Wenn es zu viele Atome sind, um sie im Kopf zu zählen, male für jedes Atom einen
Punkt in einer Farbe. Gleiche Element haben dabei die gleiche Farbe. Am Ende sollen
auf beiden Seiten der Reaktionsgleichung die gleiche Anzahl von Punkten in den selben
Farben stehen.
3. Überlege Dir immer gut, ob die Formel, die Du jetzt errechnet hast, überhaupt logisch
ist und sie Dir bekannt vorkommt. Ein einfaches Zusammenzählen aller Atome ist
nämlich nur sehr selten die richtige Lösung: z.B. reagieren CH4 + O2 nicht zu CH4 O2
sondern zu CO2 + H2 O (Kohlenstoﬀdioxid und Wasser!)
7.15.2 Ein typischer Schülerfehler...
Der häuﬁgste Schülerfehler ist, einfach Stoﬀe und Verbindungen zu erﬁnden, da deren Formel
gut beim mathematischen Ausgleichen helfen würde!
z.B.: Eisenoxid reagiert mit Kohlenstoﬀ zu Eisen und Kohlenstoﬀdioxid
147
⇒
+
+
Eisenoxid
Fe2 O3
148
C
Kohlenstoﬀ
Eisen
Fe
−→
−→
+
+
Kohlenstoﬀdioxid
+
+
E
E
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Die griechischen Zahlen
1. Lösungsweg - waagerecht gelesen - völlig falsch, führt nicht zum Ergebnis!
Der Schüler denkt sich, dass 2 Eisenatome entstehen, weil ja anfangs 2 vorliegen und dazu
3 O freiwerden, welche mit C zu CO3 reagieren. Wäre ja sehr praktisch!
149
⇒
Eisenoxid
Fe2 O3
+
+
Kohlenstoﬀ
C
−→
−→
Eisen
2 Fe
+
+
Kohlenstoﬀdioxid
CO3 (Aua)
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
150
Die griechischen Zahlen
Was ist passiert? Statt einfach die Formel für Kohlenstoﬀdioxid hinzuschreiben - die weiß
der Schüler doch aus dem Namen (!), wird gleich gerechnet und waagerecht geschaut, was
frei wird. Nun müsste in jedem Buch der Welt die Formel von Kohlenstoﬀdioxid zu CO3
verändert werden! Das ist ehrlich gesagt alles Murks!
2. Lösungsweg - zuerst senkrecht lesen - richtige Lösung!
Zuerst schreibt man aus der Wortgleichung alle Formel auf. D. h. es wird senkrecht gearbeitet:
Eisenoxid hat die Formel Fe2 O3 , Kohlenstoﬀ ist C usw...
151
⇒
+
+
Eisenoxid
Fe2 O3
152
C
Kohlenstoﬀ
Eisen
Fe
−→
−→
+
+
Kohlenstoﬀdioxid
CO2
+
+
E
E
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Die griechischen Zahlen
Diese Gleichung ist noch nicht ausgeglichen, nun muss gerechnet werden. Dazu gilt: auf
beiden Seiten der Gleichung muss die gleiche Anzahl der jeweiligen Atome vorliegen. Wenn
das nicht automatisch der Fall ist, müssen einzelne Reaktionspartner mit ganzen Zahlen
multipliziert werden.
Wenn also 3 O am Anfang vorliegen und nur 2 entstehen sollen, dann sucht man z. B. den
kleinsten gemeinsamen Nenner und erweitert in diesem Fall auf 6!
153
⇒
+
+
Eisenoxid
2 Fe2 O3
154
C
Kohlenstoﬀ
Eisen
Fe
−→
−→
+
+
Kohlenstoﬀdioxid
3CO2
+
+
E
E
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Die griechischen Zahlen
Jetzt sind auf beiden Seiten 6 O vorhanden, jetzt muss man noch nach Kohlenstoﬀ und Eisen
schauen. Es liegen 4 Eisenatome vor, diese müssen also auch entstehen (⇒ 4 Fe entstehen)
und es entstehen 3 CO2 , also benötigt man auch 3 C bei den Ausgangsstoﬀen.
155
⇒
+
+
Eisenoxid
2 Fe2 O3
156
3C
Kohlenstoﬀ
Eisen
4 Fe
−→
−→
+
+
Kohlenstoﬀdioxid
3CO2
+
+
E
E
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen I
7.16 Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen I
157
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Eisen
Kupfer
158
Kohlenstoﬀ
Schwefel
Phosphor
Eisen
Kupfer
Magnesium
Aluminium
Sauerstoﬀ
Sauerstoﬀ
Sauerstoﬀ
Sauerstoﬀ
Sauerstoﬀ
Sauerstoﬀ
Sauerstoﬀ
Schwefel
Schwefel
Eisensulﬁd
FeS
Fe2 S3
Kupfersulﬁd
Kohlenstoﬀdioxid
Schwefeldioxid
Phosphoroxid
P4 O10
Eisenoxid
FeO
Fe2 O3
Kupferoxid
Magnesiumoxid
Aluminiumoxid
Al2 O3
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen I
7.16.1 Bildung der Säuren aus Nichtmetall(-oxid) und Wasser
159
+
+
+
+
+
+
+
Kohlenstoﬀdioxid
Schwefeloxid
SO3
SO2
160
Phosphor
Wasser
Wasser
Wasser
+
+
+
+
+
+
+
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
E
E
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen II
7.17 Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen II
7.17.1 Oxidationen (Vereinigungen)
161
162
CO2
Kohlenstoﬀdioxid
CO2
Schwefeloxide
SO
SO2
SO3
Schwefeltrioxid
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
−→
+
+
Schwefeldioxid
Schwefel
Kohlenstoﬀmonooxid
+
+
+
+
+
+
+
Sauerstoﬀ
Sauerstoﬀ
Sauerstoﬀ
−→
Kohlenstoﬀoxide
CO
Sauerstoﬀ
−→
+
Kohlenstoﬀ
Wasser
H2 O
Sauerstoﬀ
−→
−→
+
+
Wasserstoﬀ
H2
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
E
E
E
E
E
E
E
E
E
⇒
Schwefelmonoxid
⇒
Schwefeldioxid
⇒
Schwefeltrioxid
⇒
Kohlenstoﬀdioxid
⇒
Kohlenstoﬀmonooxid
⇒
Kohlenstoﬀdioxid
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Stickstoﬀ
Stickstoﬀoxide
NO2
N2 O
N2 O 4
−→
−→
−→
−→
+
+
+
+
Sauerstoﬀ
SO3
−→
+
+
+
+
+
+
E
E
E
E
E
⇒
Stickstoﬀdioxid
⇒
Distickstoﬀmonoxid
⇒
Distickstoﬀtetraoxid
Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen II
163
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
7.17.2 Laugenbildung aus Metalloxid und Wasser
164
+
+
+
+
Natriumoxid
Na2 O
Calciumoxid
CaO
Wasser
Wasser
NaOH
Ca(OH)2
−→
−→
−→
−→
+
+
+
+
E
Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen II
165
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
7.17.3 Neutralisation
166
+
+
+
+
Salzsäure
Salzsäure
HCl
Magnesiumlauge
Natronlauge
Wasser
−→
−→
Wasser
−→
−→
+
+
+
+
Magnesiumchlorid
MgCl
Natriumchlorid
NaCl
+
+
+
+
E
Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen II
167
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
7.17.4 Zersetzungen
168
Quecksilberoxid
HgO
Kohlenstoﬀdioxid
+
+
+
+
Energie
E
+
+
−→
−→
+
+
Kohlenstoﬀ
−→
−→
Sauerstoﬀ
Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen II
169
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
7.18 Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen III
7.18.1 Umsetzungen
170
+
Magnesium
+
+
Zinksulﬁd
ZnS
+
+
+
Zink
Salzsäure
Salzsäure
Salzsäure
−→
+
+
Zinkchlorid
−→
+
+
Magnesiumchlorid
−→
+
+
−→
Zinkchlorid
ZnCl2
−→
−→
Schwefelwasserstoﬀ
H2 S
Wasserstoﬀ
Wasserstoﬀ
+
+
+
+
+
+
E
E
E
Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen III
171
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
7.18.2 Aufgaben für Proﬁs
172
+
Stickstoﬀmonoxid
Magnesium
+
Kohlenstoﬀdioxid
−→
−→
+
+
+
+
−→
+
Aluminiumchlorid
AlCl3
+
−→
+
+
+
Chlorwasserstoﬀ
Wasser
−→
+
−→
CH4
−→
+
+
+
Wasserstoﬀ
Methan
−→
−→
+
Distickstoﬀpentoxid
−→
+
+
C8 H18
Sauerstoﬀ
Wasserstoﬀ
Sauerstoﬀ
+
−→
−→
+
+
+
+
+
+
+
Distickstoﬀtrioxid
−→
+
Stickstoﬀdioxid
+
+
−→
Salpetersäure
+
−→
+
Stickstoﬀdioxid
−→
+
+
Wasser
−→
−→
−→
Wasser
Sauerstoﬀ
Sauerstoﬀ
+
+
Benzin
Kohlenstoﬀmonoxid
Stickstoﬀdioxid
Stickstoﬀmonoxid
Stickstoﬀdioxid
+
C2 H5 OH
+
+
Alkohol
Kohlenstoﬀ
E
E
Kohlenstoﬀdioxid
Wasser
E
E
Stickstoﬀmonoxid
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
E
E
E
E
E
E
Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen III
173
+
CO2
−→
+
+
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
174
Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen IV
7.19 Übung zum Erstellen von Reaktionsgleichungen IV
7.19.1 Bestimme die Reaktionsgleichungen
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Bildung von Stickstoﬀmonooxid aus den Elementen
Neutralisation von Fluorwasserstoﬀsäure mit Calciumlauge
Magnesium mit Salzsäure zu Magnesiumchlorid (MgCl2 ) und Wasserstoﬀ
Bildung von Schwefeltrioxid aus den Elementen
Neutralisation von Salpetersäure mit Calciumlauge
Bildung von Di Stickstoﬀtrioxid aus den Elementen
Neutralisation von Bromwasserstoﬀsäure mit Kalilauge
Bildung von Cl2 O7 aus den Elementen
Neutralisation von Calciumlauge mit schwefeliger Säure
Verbrennung von H2 S2 O3 zu Schwefeldioxid und Wasser
Bildung von Calciumphosphat u. a. aus Phosphorsäure
7.20 Formelgleichung der Umsetzung von Magnesium mit
Salzsäure
Woher wissen Chemiker eigentlich immer genau, wie die Formel einer Verbindung ist? Nachdem Du nun vom Gesetz der vielfachen Massenverhältnisse theoretisch weißt, soll hier gezeigt werden, wie man eine Formel praktisch bestimmt.
Abb. 65
Magnesium + Salzsäure
Versuchsbeschreibung
In diesem Versuch wird Mg in HCl gebracht. Die Produkte werden untersucht. Das Ziel ist,
die Formel des entstehenden Salzes zu bestimmen.
Beobachtung
Wir beobachten, wie sich das Magnesium auﬂöst und eine heftige Gasentwicklung stattﬁndet. Die Knallprobe ist positiv.
175
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Schlussfolgerung
Es bildet sich Wasserstoﬀ. Bei der Reaktion wird Energie frei. Das Chlorid hat den Bindungspartner gewechselt. Es fand eine Umsetzung statt. Die Gleichung ist so noch nicht
ausgeglichen. Wenn man es tut, bekommt man zwei Möglichkeiten.
Magnesium + Salzsäure −→ Wasserstoﬀ + Magnesiumchlorid + E
Es gibt zwei Möglichkeiten für die Formel des Salzes Magnesiumchlorid:
a) Mg + 2HCl −→ H2 + MgCl2 + E
oder:
b) 2Mg + 2HCl −→ H2 + 2MgCl + E
Das Gesetz der vielfachen Proportionen erklärt, dass es möglich ist, Atome in vielfachen
Massenverhältnissen zusammen zu vereinigen. Doch woher weiß man in der Praxis, wie viele
Atome miteinander reagieren?
Wie kann man entscheiden ob Reaktion 1 oder 2 vorliegt?
Deﬁnition
⇒ ein Zusatzversuch ist notwendig
7.20.1 ⇒ Quantitative Untersuchung der Reaktion.
Der 2. Versuch ist ungefähr der gleiche Versuch wie V1, nur wird dieses Mal das das Produkt
aufgefangen und das Volumen bestimmt
Abb. 66
176
Versuchsaufbau Bestimmung des Volumens von Wasserstoﬀ
Formelgleichung der Umsetzung von Magnesium mit Salzsäure
7.20.2 Vorwissen:
1 mg Magnesium enthält 2,48 * 1019 Atome 1 ml Wasserstoﬀ enthält 2,68 * 1019 Wasserstoﬀmoleküle
177
V (H2 )
30,55 ml
⇒ 8,26 x 1020
⇒ Anzahl Mg-Atome
30,5 mg ⇒ 7,564 x 1020
33,3 mg
m (Mg)
V2a
V2b
Umrechnung auf Normalbedingungen
28,17
33,5 ml
178
⇒ 7,55 x 1020
30,7
Vo = 0,922 x V
8,23 x1020
⇒ Anzahl H2
-Moleküle
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
Bestimmung der Formel eines Salzes
7.20.3 Schlussfolgerung
Anz.M g
Anz.H2
=
7, 564 ∗ 1020
=
7, 55 ∗ 1020
1
1
Deﬁnition
a) Mg + 2 HCl −→ H2 + MgCl2 + E
Deﬁnition
7.21 Bestimmung der Formel eines Salzes
Natürlich gibt es auch einen theoretischen Weg, wie man die Zusammensetzung eines Salzes leichter bestimmen kann. Dazu muss man die Metalle und die Säurereste immer so
kombinieren, dass die Wertigkeiten (=Oxidationszahl) in ihrem Betrag zueinander passen.
Eine Beispielaufgabe: Welche Formel hat die Verbindung „Magnesiumchlorid“?
Magnesium hat die Wertigkeit +II und wird kombiniert mit Chlorid, welches die Wertigkeit
-I hat.
II
Mg
+
-I
Cl
−→
II -I
MgCl
Wie man sieht, passen die Wertigkeiten nicht zueinander. Damit die Summe Null ergibt,
muss eine weitere negative Ladung her! Dies erreicht man durch Zugabe eines weiteren Cl.
II
Mg
+
-I
2Cl
−→
II -I
MgCl2
Durch das Verhältnis von Mg : Cl = 1 : 2 liegt eine weitere negative Wertigkeit vor, so dass
die +II des Magnesiums durch 2 mal -I des Chlor ausgeglichen wird.
Deﬁnition
179
Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen
7.22 Aufgaben mit Lösungen
1.
2.
3.
4.
Kombiniere Natrium und Sulfat zu Natriumsulfat.
Kombiniere Kalium mit Sulﬁd zu Kaliumsulﬁd.
Kombiniere Calciumion und Phosphat zu Calciumphosphat.
Wozu braucht man die Klammer bei der letzten Formel eigentlich bei den Säureresten?
Zu 1: Zuerst muss man die Formeln der Säurereste und deren Wertigkeiten wissen (deshalb
muss man sie auch auswendig lernen!)
Na:
SO4 :
Wertigkeit:
Wertigkeit:
+I
-II
(da es in H2 SO4 an zwei
Wasserstoﬀe gebunden
ist)
dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler:
Vorlage: Merksatz
Deﬁnition
zu 2:
K:
S:
Wertigkeit:
Wertigkeit:
+I
-II
(da es in H2 S an zwei
Wasserstoﬀe gebunden ist)
dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler:
Vorlage: Merksatz
Deﬁnition
Zu 3: Tipp: kleinster gemeinsamer Nenner ist 6!
Ca
PO4
Wertigkeit:
Wertigkeit:
+II
-III
(da es in H3 PO4 an drei
Wasserstoﬀe gebunden
ist)
dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler:
Vorlage: Merksatz
Deﬁnition
Zu 4: Säurereste bleiben in der Regel erhalten und zersetzen sich nicht so leicht. Die Wertigkeit gilt somit immer für den ganzen Säurerest. Um dieses zu verdeutlichen und sie nicht
einem Element zuzuordnen benötigt man eine Klammer. Außerdem benötigt man den Säurerest zweimal. Deshalb kommt er in Klammern und wird mit zwei mal genommen!
Deﬁnition
Auf diese Art und Weise kann man jetzt alle Salzformeln leicht bestimmen. Bei Metallen
der Nebengruppenelemente ﬁndet man die Wertigkeiten (auch Oxidationszahl genannt)
im PSE.
7.23 Aufgaben zur Wiederholung
1. Beschreibe die Reaktion von Magnesium mit Salzsäure.
2. Beschreibe, was man erhält, wenn man Säure und Lauge gleicher Konzentration
mischt.
180
Aufgaben zur Wiederholung
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Nenne drei Säuren mit Formel.
Nenne zwei Laugen mit Formel.
Was sagt der Massenerhaltungssatz aus?
Was sagt der Energieerhaltungssatz aus?
Was sagt das Gesetz der vielfachen Massenverhältnisse aus?
Worin liegt die Erweiterung des Gesetzen der vielfachen Massenverhältnisse im Vergleiche zu den konstanten Massenverhältnissen?
Stelle die Reaktionsgleichung der Bildung von Fe2 O3 auf.
Stelle die Reaktionsgleichung der Bildung von SO2 auf.
Stelle die Reaktionsgleichung der Bildung von SO3 auf.
Stelle die Reaktionsgleichung der Bildung von CO2 auf.
Welcher Stoﬀ entsteht, wenn man Phosphoroxid und Wasser mischt?
Welcher Stoﬀ entsteht, wenn man Stickoxid (NO2 ) und Wasser mischt?
Welcher Stoﬀ entsteht, wenn man Kohlenstoﬀdioxid und Wasser mischt?
181
8 Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell
und das Periodensystem der Elemente
8.1 Der Rutherford’sche Streuversuch (1909)
8.1.1 Beschreibung des Experiments:
Der neuseeländische Atomphysiker englischer Abstammung Ernest Rutherford1 schoss 1909
die Kerne von Heliumatomen, so genannte Alpha-Strahlung auf eine sehr dünne Goldfolie.
Diese hatte er sich extra von seinem Schmied anfertigen lassen. Sie war extrem dünn und nur
2000 Atomlagen dick (entspricht ca. 0,0005 mm). Für die α-Strahlen2 verwendete Rutherford
einen radioaktiven Strahler, der ein radioaktives Gestein enthielt.
Abb. 67
1
2
Vorgänger war „Lennardt“. Dieser führte den Versuch mit e- durch.
Alphateilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen, die einem Helium-Atomkern entsprechen.
Aufgrund ihrer Ladung und relativ großen Masse haben Alphateilchen nur eine sehr geringe Eindringtiefe
(Reichweite) in kompakter Materie. Ein dickeres Blatt Papier oder einige Zentimeter Luft reichen im
Allgemeinen schon aus, um Alphateilchen vollständig abzuschirmen.
183
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
Er konnte mit einem Fotograﬁeﬁlm bzw. einem Leuchtschirm aus Zinkoxid die Teilchen
sichtbar machen, welche seine Goldfolie durchdrangen. Auf dem Leuchtschirm erschienen
die Strahlen mit einem grünlichen Schimmer. Seine erste Vermutung war allerdings, dass
alle Teilchen von der Folie abprallen, vergleichbar mit einem Ball, den man gegen eine Wand
wirft.
Da er diese erste Vermutung nicht bestätigt fand, wiederholte er das Experiment mehrere
Male. Schließlich hätte seine Goldfolie ja auch Löcher aufweisen können. Aber auch neue
Goldfolien brachten die gleichen Ergebnisse. Daraus schloss er, dass vielleicht seine Vermutung grundlegend falsch war. Er dachte lange nach und stelle dann eine völlig neue, für uns
unglaubwürdige Theorie auf.
Zusatzinformationen
w:Strahlung3
3
184
http://de.wikipedia.org/wiki/Strahlung
Der Rutherford’sche Streuversuch (1909)
8.1.2 Beobachtungen und Schlussfolgerungen:
Abb. 68
Ablenkung beim Rutherford´schen Versuch
a) 99,9999% der "Geschosse" durchdringen die Goldfolie ohne Ablenkung. (Als
wären die 2000 Lagen von Goldatomen gar nicht existent)
(Vergleich: Dartpfeil durch Bauzaun werfen)
⇒ Atome müssen demzufolge fast „leer“ sein.
185
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
b) Einige Teilchen davon werden ein wenig abgelenkt.
(Vergleich Billard)
⇒ Im Zentrum des Atoms beﬁndet sich ein „Atomkern“ der im Vergleich zum gesamten
Atom sehr viel kleiner ist. Er ist umgeben von einer Elektronenhülle (Durchmesser des
Kerns ist ca. 100.000 mal kleiner) Volumenvergleich Kern: 10-45 m3 : Goldatom: 10-30 m3 =
10-15 : 1)
c) Eines von 100.000 Teilchen wird sogar zurückgeschleudert/ stark abgelenkt
(=Querschläger).
⇒ Da die α-Teilchen positiv geladen sind, muss der Atomkern auch (elektrisch) positiv
geladen sein.
Größenverhältnisse:
Atomkern
:
Atomhülle
= 10-15 m : 10-10 = 1 : 100.000
Vergleich: wäre der Atomkern im Durchmesser so groß wie ein Tischtennisball (2cm), so
wäre die ganze Atomhülle 2km groß!
Deﬁnition
• Atome sind zu 99,9999% leer
• Atome enthalten einen Atomkern
• Der Atomkern enthält positiv geladene Teilchen (=Protonen)
Atome haben eine Masse. Wo ist diese dann lokalisiert?
Fast die gesamte Masse eines Atoms beﬁndet sich im Atomkern. Er hat eine außerordentlich
hohe Dichte! (ρ= 4•1014 g/cm3 )
(Vergleich ρPb= 11g/cm3 )
Bsp.: Masse eines hypothetischen Stecknadelkopfes, der nur aus Atomkernen besteht V
3
Stecknadelkopf = 5 mm ,
ρKernmaterie = 2,44 •1014 g/cm3 ⇒ m= 1,22•1012 Tonnen!
8.1.3 Aufgaben:
1. Beschreibe Rutherfords Versuch und erkläre die Beobachtungen mit Deinen Worten!
2. Warum hat Rutherford den Versuch so oft wiederholt?
186
Die "Grundbausteine" des Atoms
8.1.4 Zusatzinfos
w:Ernest_Rutherford4
8.2 Die "Grundbausteine" des Atoms
Heute wissen wir mehr über Atome, als z. B. noch Medelejew. Sie enthalten drei Elementarteilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen.
Von außen betrachtet sind Atome elektrisch zwar neutral, aber im Inneren bestehen sie aus
einem Atomkern mit positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen und
einer Atomhülle aus negativ geladenen Elektronen:
4
http://de.wikipedia.org/wiki/Ernest_Rutherford
187
Symbol
p+
n
e-
Teilchen
Proton:
Neutron:
Elektron:
Masse [u]
1,0073
1,0087
0,0005
Masse [kg]
1,6726•10-27
1,6749•10-27
9,1096•10-31
188
+1 (positiv)
0 (ungeladen)
-1 (negativ)
Elementarladung
Aufenthaltsbereich
Atomkern
Atomkern
Elektronenhülle
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
Zusatzinfos: Die Geschichte des Atombegriﬀs und des Aufbaus von Atomen
Deﬁnition
8.2.1 Zusatzinfos zu Atomen
• Nahezu die gesamte von uns wahrnehmbare, unbelebte und belebte Materie in unserer
irdischen Umgebung besteht aus Atomen oder geladenen Atomen (=Ionen)
• Atome gleicher Anzahl der Protonen, der Kernladungszahl, gehören zu demselben Element.
• Bei (ungeladenen) Elementen ist Anzahl von Protonen und Elektronen gleich.
• Die physikalischen Eigenschaften der Atomhülle bestimmen das chemische Verhalten eines
Atoms
• Eine durch Protonen- und Neutronenzahl charakterisierte Atomsorte bezeichnet man als
Nuklid. (Neutronenzahl + Protonenzahl = Nukleonenzahl)
• Nuklide gleicher Kernladungszahl (Protonenzahl) und unterschiedlicher Neutronenzahl
heißen Isotope z.B. 12 6 C;14 6 C
•
• alle Atomkerne der Erde dicht aneinander gepackt ⇒ Würfel von 75 m Kantenlänge
• Die Masseneinheit für Elementarteilchen ist 1u (= 1,66056 • 10-27 kg)
• Seit 1932 haben die Physiker weit mehr als einhundert verschiedene Elementarteilchen
entdeckt und beschrieben, die jedoch chemische Reaktionen nicht beeinﬂussen und für die
Schule keine Rolle spielen. Nach neueren Erkenntnissen sind alle "Elementarteilchen" aus
12 Elementarbausteinen und 4 Grundkräften zusammengesetzt. Der bekannteste Vertreter sind die "Quarks".
• Die stärkste Kraft, die Menschen kennen, wirkt zwischen Protonen und Neutronen und
hält den Atomkern zusammen. Sie ist um 10 • 1041 mal stärker als die Gravitation der
Erde; Ihre Reichweite ist sehr kurz – außerhalb des Atomkerns spürt man sie nicht. Wäre
die Erdgravitation so stark, so wäre ein Reiskorn 1 Billion mal schwerer als die Erde!
• Die Chemie beschäftigt sich mit den Atomen und ihren Verbindungen, den Molekülen.
Dies setzt auch genaue Kenntnisse über die Struktur der Atomhülle voraus.
• Die Atomphysik beschäftigt sich unter anderem mit dem Aufbau der Atomhülle, dem
Aufbau der Atomkerne aus Elementarteilchen und weiter mit den Eigenschaften der Elementarteilchen.
w:Atom5
Weitere Informationen vor allem zur geschichtlichen Entwicklung des Atombegriﬀs:
8.3 Zusatzinfos: Die Geschichte des Atombegriﬀs und des
Aufbaus von Atomen
Nach: w:Atom6
5
6
http://de.wikipedia.org/wiki/Atom
http://de.wikipedia.org/wiki/Atom
189
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
• um 400 vor Christus - Demokrit und das Teilchenmodell
Demokrit, ein altgriechischer Gelehrter, äußerte als erster die Vermutung, dass die Welt aus
unteilbaren Teilchen - (griechisch a-tomos = unteilbar) Atomen - bestände. Daneben gäbe
es nur leeren Raum. Alle Eigenschaften der Stoﬀe ließen sich, nach Meinung Demokrits, auf
die Abstoßung und Anziehung dieser kleinen Teilchen erklären. Diese Idee wurde von den
Zeitgenossen Demokrits abgelehnt, da man damals die Welt als etwas Göttliches ansah.
Demokrits philosophischer Kontrahent war vor allem Empedokles, der die Lehre von den
vier Elementen Feuer, Erde, Luft und Wasser begründete. Demokrits Vorschlag blieb fast
2 Jahrtausende unbeachtet.
• um 1400 - Die Alchemisten - Gold kann nicht hergestellt werden
Auch wenn die Alchemisten in ihren Versuchen, aus niederen Stoﬀen (wie etwa Blei) Gold
herzustellen, scheiterten, leisteten sie Vorarbeit für die spätere experimentelle Physik und
Chemie.
• 1803 - John Dalton - Atomtheorie der Elemente
Der englische Chemiker John Dalton griﬀ als erster wieder die Idee von Demokrit auf. Aus
konstanten Mengenverhältnissen bei chemischen Reaktionen schließt Dalton darauf, dass
immer eine bestimmte Anzahl von Atomen miteinander reagiert.
• 1896 entdeckt Henri Becquerel die Radioaktivität, und stellt fest, dass sich
Atome umwandeln können.
• 1897 - Joseph John Thomson - Entdeckung des Elektrons
Bei einem Versuch mit Strom stellte der britische Physiker Thomson fest, dass Strahlen
in Vakuumröhren aus kleinen Teilchen bestehen. Damit war ein erster Bestandteil der
Atome gefunden, obwohl man von der Existenz der Atome immer noch überzeugt war.
Eine Besonderheit war die Entdeckung vor allem deshalb, weil man dachte, Strom wäre
eine Flüssigkeit.
• 1898 - Marie und Pierre Curie - Radioaktivität
Immer mehr Forscher beschäftigten sich mit den kleinsten Teilchen. Die Curies untersuchten unter anderem Uran, das sie aus Pechblende gewannen. Die Uran-Atome zerfallen
unter Abgabe von Wärme und Strahlen, die man als Radioaktivität (von radius = Strahl)
bezeichnet. Marie Curie erkannte, dass sich Elemente bei diesem Zerfall verwandeln. (Die
Radioaktivität wurde 1896 von Henri Becquerel entdeckt.)
• 1900 - Ludwig Boltzmann - Atomtheorie
Boltzmann war ein theoretischer Physiker, der die Ideen von Demokrit umsetzte. Er berechnete aus der Idee der Atom-Existenz einige Eigenschaften von Gasen und Kristallen.
Da er allerdings keinen experimentelle Beweis lieferte, waren damals seine Ideen umstritten.
• 1900 - Max Planck - Quanten
Der Berliner Physiker Planck untersuchte die Schwarzkoerperstrahlung. Bei der theoretischen, thermodynamischen Begruendung seiner Formel führte er die sog. Quanten ein und
wurde somit zum Begründer der Quantenphysik.
190
Zusatzinfos: Die Geschichte des Atombegriﬀs und des Aufbaus von Atomen
• 1906 - Ernest Rutherford - Experimente
Der Physiker Ernest Rutherford ging im Gegensatz zu Boltzmann und Planck experimentell auf die Suche nach den Atomen. 1906 entdeckte er mit dem rutherfordschen Experiment, dass Atome nicht massiv sind, ja sogar im Grunde fast gar keine Substanz besitzen.
(Damit ist das Wort "Atom" für das, was es bezeichnet, im Grunde falsch. Es wurde aber
beibehalten.) Aus dem Experiment leitete Rutherford bis 1911 die genaue Größe eines
Atoms, also der Atomhülle und der Größe des Atomkerns ab. Ferner konnte er ermitteln,
dass der Atomkern die positive Ladung, die Atomhülle eine entsprechende negative Ladung
trägt. So entdeckte er das Proton.
• 1913 - Niels Bohr - Schalenmodell
Aus dem rutherfordschem Atommodell entwickelte der dänische Physiker Niels Bohr ein
planetenartiges Atommodell. Danach bewegen sich die Elektronen auf bestimmten Bahnen
um den Kern, wie Planeten die Sonne umkreisen. Die Bahnen werden auch als Schalen
bezeichnet. Das besondere daran war, dass die Abstände der Elektronen-Bahnen strengmathematischen Gesetzmäßigkeiten folgen.Die Bahnen besitzen verschiedene Radien, und
jede Bahn besitzt eine maximale Kapazität für Elektronen. Atome streben Bohr zufolge
an, dass alle Bahnen komplett besetzt sind. Damit haben sich sowohl viele chemische
Reaktionen erklären lassen als auch die Spektrallinien des Wasserstoﬀs. Da sich das Modell
für komplexere Atome als unzureichend erwies, wurde es 1916 von Bohr und dem deutschen
Physiker Arnold Sommerfeld insofern verbessert, als man nun für bestimmte Elektronen
exzentrische, elliptische Bahnen annahm. Das bohr-sommerfeldsche Atommodell erklärt
viele chemische und physikalische Eigenschaften von Atomen.
• 1929 - Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg und andere - Das Orbitalmodell
Aufbauend auf Schrödingers Wellenmechanik und Heisenbergs Matrizenmechanik wurde
ein weiteres, bis heute modernes Atommodell entwickelt, das weitere Unklarheiten beseitigen konnte.
• 1929 - Ernest O. Lawrence - Der erste Teilchenbeschleuniger, das Zyklotron
Um Informationen über den Aufbau der Atomkerne zu bekommen, wurden die Kerne mit
Strahlen beschossen. Um nicht auf die schwache natürliche Strahlung angewiesen zu sein,
entwickelte Lawrence das Zyklotron. Geladene Teilchen wurden auf kreisförmigen Bahnen
beschleunigt.
• 1932 - Paul Dirac und David Anderson - Antimaterie
Der theoretische Physiker Paul Dirac fand eine Formel, mit der sich die Beobachtungen
der Atomphysik beschreiben lassen. Allerdings setzte diese Formel die Existenz von AntiTeilchen voraus. Diese Idee stieß auf heftige Kritik, bis der amerikanische Physiker Anderson in der kosmischen Strahlung das Positron nachweisen konnte. Dieses Anti-Teilchen
zum Elektron hat eine positiver Ladung aber die gleiche Masse wie ein Elektron. Treﬀen
ein Teilchen und sein Anti-Teilchen zusammen, zerstrahlen sie sofort als Energie gemäß
der Formel E = m*c2. 1932 wurde dann noch das Neutron von dem englischen Physiker
James Chadwick entdeckt.
• 1933 - Marie und Pierre Curie - Materie aus Energie
191
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
Eher zufällig beobachten die Eheleute Curie, dass sich nicht nur Masse in Energie umwandeln lässt. In einem Experiment verwandelte sich ein Lichtstrahl in ein Elektron und ein
Positron.
• 1938 - Otto Hahn und Lise Meitner - Die erste Kernspaltung
Der deutsche Chemiker Hahn, ein Schüler Rutherfords, untersuchte weiter die Atomkerne.
Dazu beschoss er Uran-Atome mit Neutronen und erhielt Cäsium und Rubidium oder
Strontium und Xenon. Was eigentlich passierte konnte er nicht erklären. Dies gelang jedoch
seiner Mitarbeiterin Lise Meitner, die aufgrund ihrer jüdischen Religion vor den Nazis nach
Schweden geﬂohen war. Sie stellte fest, dass die Summe der Kernteilchen (Protonen und
Neutronen) bei den Produkten der des Urans entspricht. Hahn erhielt dafür den Nobelpreis,
erwähnte seine Mitarbeiterin aber mit keinem Wort.
• 1938 - Hans Bethe - Kernfusion in der Sonne
Neben zahlreichen Beiträgen zum Aufbau der Atome erforschte der in Straßburg geborene Bethe die Energieproduktion in Sternen. Er stellte fest, dass in unserer Sonne zwei
Wasserstoﬀ-Atomkerne miteinander verschmelzen, während in größeren und helleren Sternen Kohlenstoﬀ-Kerne in die schwereren Stickstoﬀ-Kerne verwandelt werden. Bethe arbeitete auch in Los Alamos mit, wurde aber nach dem Krieg ein engagierter Gegner von
Massenvernichtungswaﬀen, so wandte er sich auch an den späteren amerikanischen Präsidenten Clinton
• 1942 - Enrico Fermi - Der erste Kernreaktor
Der italienische Physiker Fermi erkannte die Möglichkeit, die Kernspaltung für eine Kettenreaktion zu nutzen. Die bei der Spaltung von Uran freiwerdenden Neutronen, konnten
für die Spaltung weiterer Kerne verwendet werden. Damit legte Fermi die Grundlagen,
sowohl für die kriegerische Nutzung der Kernenergie in Atombomben als auch friedliche
Nutzung in Kernreaktoren. Fermi baute den ersten funktionierenden Kernreaktor.
• 1942 - Werner Heisenberg - Atomforschung für die Nazis
Die Nazis beauftragten den Physiker Heisenberg eine Atombombe zu entwickeln. Durch
einen Rechenfehler misslang ihm dies aber. Bei der Berechnung der kritischen Masse verrechnete er sich um den Faktor 1000.
• 1942 - Albert Einstein und Leo Szilard - Roosevelt soll die Atombombe bauen
Eigentlich hat Einstein selber nicht zum Bau der Atombombe beigetragen. Er unterstützte
aber einen Brief an den amerikanischen Präsidenten Roosevelt, dass die Entwicklung der
Atombombe unbedingt noch vor den Nazis beendet werden solle. Auch der ungarische Universalgelehrte Szilard erkannte die Gefahr, die von einer deutschen Atombombe ausging.
Er lieferte zwar wichtige Ideen für den Bau der Atombombe, war aber an deren Entwicklung in Los Alamos nicht beteiligt. Auch später warnte Szilard noch vor dem Gebrauch
der Atombombe.
• 1945 - J. Robert Oppenheimer - Die erste Atombombe
Oppenheimer war der Organisator, der in Los Alamos die besten Physiker und Ingenieure versammelte. So gelang innerhalb kürzester Zeit der Bau einer Atombombe, das
Manhattan-Projekt. Nach dem Einsatz der Atombombe in Hiroshima wurde Oppenheimer zum Gegner von Atombomben.
192
Zusatzinfos: Die Geschichte des Atombegriﬀs und des Aufbaus von Atomen
• 1952 - Edward Teller - Die Wasserstoﬀbombe
Der ungarische Physiker Teller war Mitarbeiter von Oppenheimer. Allerdings hatte er eine
weitergehende Idee. Er wollte eine Bombe auf der Basis der Kernfusion bauen, die Bethe
in der Sonne nachgewiesen hat. Aus Angst vor dem Kommunismus wurde Teller zu einem
Rüstungsfanatiker und entwickelte die Wasserstoﬀbombe.
• 1960 - Donald A. Glaser - Die Blasenkammer
Nach dem Kriegsende konzentrierte sich die Forschung auf den Aufbau der Elementarteilchen. Mit der Entwicklung der Blasenkammer hatte man nun eine Möglichkeit, die
kleinsten Teilchen, die in Teilchenbeschleunigern entstanden, zu "sehen".
• 1964 - Murray Gell-Mann - Die Quarks
Mit Hilfe der Blasenkammer konnte auf einmal eine riesige Anzahl an bisher unsichtbaren
Teilchen sichtbar gemacht werden, die Widersprüche zu der bisherigen Physik darstellte.
Um dies zu erklären, postulierte der Physiker Gell-Mann Grundbausteine, aus denen die
Kernbausteine aufgebaut sein sollen. Mittlerweile gibt es sehr viele Indizien für die Existenz
der Quarks, auch wenn sie einzeln nicht zu beobachten sind.
• 1978 - Der Fusionsreaktor
Um die riesigen Mengen an Energie zu nutzen, die bei einer Kernverschmelzung (Kernfusion) frei werden, versuchte man, die Fusionsenergie gezielt zu nutzen. Die Kernverschmelzung (Kernfusion) gelang erstmals mit Teilchenbeschleunigern. Derzeit laufen Versuche,
Kernfusionsreaktoren herzustellen, bislang konnte aber nur für sehr kurze Zeit mehr Energie gewonnen werden, als in den Prozess hineingesteckt wurde
• 1995 - Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl Wiemann - Das BoseEinstein-Kondensat
In einem ultrakalten Gas aus Rubidium-Atomen wird erstmals ein Bose-EinsteinKondensat hergestellt, ein bereits von Einstein vorhergesagter Zustand der Materie.
• 2000 - CERN - Das Higgs-Boson
Das Kernforschunngszentrum CERN in Genf forscht in ihrem Beschleuniger nach dem
Higgs-Boson, das als Erlöser-Teilchen bezeichnet wird und dessen Existenz die bestehenden
Theorien zur Elementarteilchenphysik bestätigen soll. Bisher gibt es keine eindeutigen
experimentellen Belege für die Existenz des Higgs-Bosons.
• 2002 - Brookhaven - seltsame Materie
Im Schwerionenbeschleunigerring RHIC im amerikanischen Brookhaven prallen Goldionen
hoher Energie aufeinander. Dabei sollen sie für extrem kurze Zeit und in einem sehr kleinen
Raumbereich ein Quark-Gluonen-Plasma erzeugen. Dies ist ein Zustand der Materie, der
heute in der Natur nicht mehr vorkommt, aber vermutlich unmittelbar nach dem Urknall
existierte.
193
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
8.4 Die symbolische Schreibweise
Im Periodensystem werden die Atome in einer besonderen Schreibweise dargestellt. Sie ist
leicht zu verstehen:
Abb. 69
⇒ He besteht aus: 2 Protonen, 2 Elektronen und 2 Neutronen(Massenzahl-Ordnungszahl)
7 Li
3
⇒ Li besteht aus: 3 Protonen, 3 Elektronen und 4 Neutronen(Massenzahl-Ordnungszahl)
Aufgaben:
1. Berechne für folgende Beispiele die Anzahl an Elementarteilchen: Na, Mg, Ca, Ba, Al,
I
8.5 Anordnung der Elementarteilchen im Atomkern
Nachdem Du nun weißt, welche Elementarteilchen im Atom zu ﬁnden sind, wird es Zeit,
sich Gedanken über deren Anordnung zu machen. Doch Vorsicht, niemand kann genau
erklären wie es im Atom aussieht und man braucht sehr viel Vorstellungskraft, um sich
nur ein ungefähres Bild davon zu machen. Vielleicht helfen Dir die angegebenen Vergleiche.
Zusätzlich erschwerend ist, dass es verschiedene Modelle gibt, die nacheinander entstanden
sind. In Schulbüchern ist oft das Atommodell von Niels Bohr genannt - lass Dich dadurch
nicht verwirren. Es ist falsch!7
7
194
Die Probleme des Bohr’schen Atommodells ergeben sich im Speziellen aus der Frage der Stabilität der
Atome. So liegt hier die Annahme vor, dass die Elektronen sich auf einer Kreisbahn um den Atomkern bewegen. Die Zentripetalkraft wirkt hierbei auf die Elektronen, auf Grund der Wechselwirkung mit
dem positiv geladenen Atomkern. Das Coulomb-Gesetz widerspricht aber der Vorstellung einer statischen
Atomgröße, da im Coulomb-Feld alle erdenklichen Kreisbahnradien möglich wären.
Ein auf dieser Kreisbahn kreisendes Elektron entspräche einem Elektron im Hertz'schen Dipol. Im
Hertz'schen Dipol werden jedoch elektromagnetische Wellen emittiert. Dies ist in zweierlei Hinsicht bei
Atomen nicht beobachtbar. So ist keine elektromagnetische Strahlung messbar (ausgenommen sind radio-
Anordnung der Elementarteilchen im Atomkern
8.5.1 Aufbau des Wasserstoﬀatoms
Das Wasserstoﬀatom hat ein Proton und demzufolge ein Elektron. Im Zentrum des Atoms
beﬁndet sich der Atomkern, er enthält ein Proton. Um ihn herum bewegt sich ein einzelnes
Elektron. Das Elektron bewegt sich um den Kern und hat demzufolge immer unterschiedliche Abstände zum Atomkern. Da es sich zu 95% fast immer innerhalb eines bestimmten
Abstandes um das Atom bewegt und dieser einer Art Kugel gleicht, spricht man auch von
einer Elektronenhülle oder Elektronenwolke oder auch einem Atomorbital. Die Form ist dabei immer von der Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons abhängig. In den Modellen
von Niels Bohr werden die Elektronenwolken auch als Schalen bezeichnet.
Abb. 70
Deﬁnition
8.5.2 Aufbau des Lithiumatoms
Das Lithiumatom hat drei Protonen, 4 Neutronen und drei Elektronen. Die Neutronen sind
ungeladen und beﬁnden sich zwischen den Protonen. Eine Modellvorstellung beschreibt sie
als „Protonenkitt“, also als Klebstoﬀ, der die sich abstoßenden positiven Protonen im Kern
zusammenhält. Nicht alle Elektronen können sich gleich weit vom Atomkern entfernen. Also
gibt es durch die unterschiedlichen Aufenthaltswahrscheinlichkeiten auch unterschiedliche
Elektronenwolken. In der ersten Elektronenhülle ist nur "Platz" für zwei Elektronen. Wenn
aktive Stoﬀe). Ebenfalls müsste das Elektron bei Abgabe seiner Energie auf einer spiralförmigen Bahn in
den Atomkern stürzen. Die maximale Lebensdauer eines Atoms wären in dem Falle 10-8 Sekunden. Dies
ist unvereinbar mit der Erkenntnis, dass Atome stabil sind.
Ein drittes Problem besteht in der Erklärung von Emission und Absorption von Energiequanten. So kann
mit dem Modell von Rutherford keine Erklärung für Spektralanalysen diverser Gase gemacht werden. Quelle: Rutherfordsches Atommodell ˆ{http://de.wikipedia.org/wiki/Rutherfordsches_Atommodell}
195
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
sie voll besetzt ist, dann entsteht automatisch eine neue. In jeder weiteren ist Platz für mindestens 8 Elektronen. Die Elektronen der äußersten Hülle nennt man auch Valenzelektronen
oder Außenelektronen.
Abb. 71
Bei chemischen Reaktionen sind in der Regel nur die Valenzelektronen beteiligt. Elemente mit der gleichen Anzahl an Valenzelektronen (⇒ gleiche Hauptgruppennummer) haben
meist ähnliche Eigenschaften. Die Anordnung der Elektronen nennt man Elektronenkonﬁguration.
8.5.3 Aufbau des Kohlenstoﬀatoms (C)
Das Kohlenstoﬀatom hat 6 Elektronen, 6 Neutronen und 6 Protonen:
196
Anordnung der Elementarteilchen im Atomkern
Abb. 72
8.5.4 Aufbau des Natriumatom (Na)
Das Natriumatom hat 11 Elektronen in drei Elektronenwolken. Wie Du erkennen kannst,
sind die Elektronenwolken farbig, entsprechend den Farben der Perioden Deines PSE gefärbt.
197
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
Abb. 73
8.5.5 Zusatzinfos: Atombau
w:Atommodell8
w:Elementarteilchen9
8.5.6 Wichtige Aufgaben:
1. Zeichne selbst den Aufbau der folgenden Atome: H, He, Li, Na, Mg, Ca, Ba, Al, I
2. Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Anzahl an Elektronenwolken und der
Periodennummer?
3. Besteht ein Zusammenhang zwischen der Anzahl an Valenzelektronen und dem PSE?
4. Wie erklärst Du Dir, dass das Verhältnis von Protonen zu Neutronen bei Zunahme
der Ordnungszahl kleiner wird (z.B. Kohlenstoﬀ hat 6p+ und 6n ⇒ 1:1=1; Blei hat
82p+ und 126n ⇒ 82:126=0,65)?
8
9
198
http://de.wikipedia.org/wiki/Atommodell
http://de.wikipedia.org/wiki/Elementarteilchen
Geschichtliche Entwicklung der Modelle zum Aufbau der Elektronenhülle
8.6 Geschichtliche Entwicklung der Modelle zum Aufbau
der Elektronenhülle
Chemiker kennen heute viele Modelle zum Beschreiben der winzigen Atome. Jedes Modell
hat Vor- und Nachteile. Lass Dich nicht durch die Vielfalt verwirren und benutze immer das,
was Du in der Schule gelernt hast. Letztlich sind alles Modelle, die nur etwas nicht sichtbares
verdeutlichen sollen. Aber es ist gar nicht so einfach, sich das immer vorzustellen...
Abb. 74 Bohrsches
Atommodell
1913 Niels Bohr: „Elektronen kreisen als Teilchen auf Bahnen (planetengleich) um den Atomkern“ Jede Bahn entspricht dabei einem bestimmten Energiezustand des Elektrons
1924 Louis de Broglie: „ Jedes sich bewegende Teilchen, hat neben den Teilcheneigenschaften
auch Welleneigenschaften.“ (Diese werden wichtiger, je kleiner das Teilchen wird) (=WelleTeilchen-Dualismus)
Deﬁnition
Elektronen (auch Photonen) haben:
• Teilcheneigenschaften
• Welleneigenschaften (Beweis: ihre Wellenlänge ist messbar!) Vergleich dies mal mit
einer Interferenz: Wellen könne sich auslöschen, für Teilchen gilt das nicht. Je nach
Experiment und Aufbau kann man also vom Teilchen- oder Wellencharakter der Elektronen ausgehen.
Bohr hat hingegen nur den Teilchencharakter des Elektrons berücksichtigt.
1926 Heisenberg: „Wenn de Broglie recht hat, kann man nicht die Position und die
Geschwindigkeit eines Elektrons bestimmen, da man nicht gleichzeitig beides messen kann!
(=Unschärferelation).
⇒die Wellenlänge ändert sich.
Vergleich Radarfalle
10
10
Um ein Objekt zu sehen, brauchen wir Licht. Die Lichtenergie beschleunigt aber das Objekt. (Photon
- Elektron). Vergleich mit Radarfalle: Blitzen mit 800 Kg Geschossen... (Position wäre klar, aber die
Geschwindigkeit....)
• Welle-Teilchen-Dualismus (vgl. Aristoteles - Henry Maske)
199
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
⇒ Man kann nicht wissen, wie sich kleine Teilchen, wie z. B. Elektronen bewegen. Somit
ist auch sicher, dass sie sich nicht auf Bahnen (siehe Bohr) bewegen. Man kann aber sagen,
dass für so kleine Teilchen die Gesetze der klassischen Mechanik nur beschränkt Gültigkeit
haben. Dies macht eine eigene Vorstellung für Chemiker so schwierig.
1928 Schrödinger: Der Aufenthaltsbereich des e- ist die so genannte Elektronenwolke11
(=Orbital)
Abb. 75
Elektronenverteilung nach Schrödinger
8.7 Edelgase und Edelgaskonﬁguration
„Edelgase“ ist der Begriﬀ für die Elemente der 8. Hauptgruppe. (Helium, Neon, Argon,
Krypton, Xenon und Radon). Edelgase sind im Gemisch Luft zu ﬁnden. Nach ihrem Anteil
sortiert, steht an erster Stelle Argon. Es folgen Neon, Helium, Krypton und Xenon. Radon
tritt nur in kleinsten Mengen als Produkt radioaktiver Zerfallsprozesse auf. Im All ﬁndet
man neben Wasserstoﬀ sehr viel Helium.
Alle Edelgase sind farb-, geschmack- und geruchlose Gase, die eigentlich nur elementar (nicht
vereinigt) und einatomig vorkommen. Sie lassen sich in Wasser auﬂösen und sind aufgrund
ihrer Ähnlichkeit und Reaktionsträgheit fast nicht zu unterscheiden. Sie kondensieren erst
bei Temperaturen tiefer als -100°C. Helium hat den niedrigsten Schmelz- und Siedepunkt
aller Elemente. Aufgrund dieser Eigenschaft wurden sie als Element erst sehr spät entdeckt.
• Heisenbergsche Unschärferelation (Einsatz des Luftballon-Modells)
11
200
Vergleich mit Torwart in Fußballspiel (16m-Raum) Vergleich mit Erdatmosphäre
Eigenschaft
Atommasse
[u]
Dichte [g/l]
Schmelzpunkt [°C]
Siedepunkt
[°C]
Leuchtfarbe
in Leuchtröhren
Verwendungszweck
10 Ne
20,2
0,84
-248,6
-246,0
rot
• Leuchtstoﬀröhren
2 He
4.0
0,17
-272,3
-269,0
gelb
• Füllgas für Ballons
• Zusatz für Atemluft bei Tiefseetauchern
• Glühlampenfüllgas
•
Schutzgasschweißen
rot
-185,9
1,66
-189,4
39,9
18 Ar
• Glühlampenfüllgas
gelbgrün
-153,9
3,48
-156,5
83,8
36 Kr
5,49
111,8
107,1
violett
131,3
54 Xe
Edelgase und Edelgaskonﬁguration
201
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
4 He
2
20 Ne
10
Abb.
76
Abb. 77
Edelgase (8. HG) sind die reaktionsträgsten Elemente. Alle Edelgase haben eine vollbesetzte Außenelektronenwolke. Edelgase werden deshalb auch als reaktionsträge Gase bezeichnet.
Deﬁnition
Diese Edelgaskonﬁguration ist von allen Elementen angestrebt. Entscheidend ist dafür nur
die Anzahl an Valenzelektronen (2 bei He oder 8 bei allen anderen!)
Unter besonderen Bedingungen kann man im Labor Xe und Kr zur Reaktion mit anderen Elementen bewegen. Dazu sind sehr hohe Ionisierungsenergien notwendig. Von
den leichten Edelgasen Helium, Neon und Argon sind keine Verbindungen bekannt.
Linus Pauling wies 1933 schon darauf hin, dass Xenon eine ähnlich (hohe) 1. Ionisierungsenergie wie Sauerstoﬀ hat. 1962 wurde von Bartlett dann mit Xenonhexaﬂuor
die erste Edelgasverbindung dargestellt. Man heute kennt bereits 32 Edelgasverbindungen:
202
Das Periodensystem der Elemente: Die Geschichte des PSE
XeF2 ,XeF4 , XeF6 , XeO3 , XeO4 ,XeOF4 , KrF2
8.8 Das Periodensystem der Elemente: Die Geschichte des
PSE
Demokrit (460-370 v. Chr.)
Der Grieche vermutete allein durch Beobachtungen der Natur, dass es Aufbausteine für alle
Stoﬀe (heute würde man sie Atome nennen) gibt.
Robert Boyle (1627-1691)
Der Engländer zeigte als erster, dass nicht Feuer, Wasser, Erde und Luft die chemischen Elemente sind. Er vermutete, dass es mehr geben muss. Sonst wäre die Vielfalt der Natur nicht
zu erklären. Er vermutete, dass solche Stoﬀe, die man nicht mehr in zwei verschiedene andere Stoﬀe umwandeln kann, Elemente sind. So kann man pﬂanzlichen Zucker durch Erhitzen
in Kohlenstoﬀ umwandeln. Diesen konnte er aber nicht weiter zersetzen, so bestimmte er,
dass Kohlenstoﬀ ein Element sei.
Antoine Lavoisier (1743-1794)
Der Franzose Lavoisier übernahm Boyles Elementdeﬁnition und erweiterte sie. Er unterschied Elemente (matière) und deren Fähigkeit Verbindungen zu bilden (principe). Es gibt
also nach Lavoisier keine Stoﬀe, in denen matière und principe zusammenﬁelen. William
Prout (1785-1850) und Jeremias Benjamin Richter (1762-1807) Der Engländer Prout und
der deutsche Richter stellen die Gesetzte der einfachen und vielfachen Massenverhältnisse
auf. So reagieren 2g Schwefel immer mit 2g Sauerstoﬀ zu 4g Schwefeldioxid oder auch (bei
anderen Reaktionsbedingungen) mit 3g Sauerstoﬀ zu 5g Schwefeltrioxid
John Dalton (1766-1844)
Der Engländer stellte eine Atomhypothese auf, die Atome und ihre Reaktionen beschrieb.
Er verband diese mit den Massengesetzen von Prout und Richter, um sie zu erklären.
Jöns Jakob Freiherr von Berzelius, (1779-1848)
Der Schwede Berzelius nannte Reinstoﬀe, die nicht durch eine Vereinigung entstanden sind
„Elemente“. Stoﬀe, die durch eine Vereinigung entstehen, nannte er „Verbindung“. Er stellte
die noch immer gültige Deﬁnition auf: „Ein Element ist ein Reinstoﬀ, der nicht weiter
zersetzt werden kann“. Für Elemente legte er neue Symbole fest, die sich vom lateinischen
oder griechischen Namen ableiteten (z. B. Wasserstoﬀ = Hydrogenium = H) Da man nun
endlich die Kenntnisse der Chemie vernünftig ordnen konnte, wurde der Wunsch nach einem
einheitlichen Ordnungssystem immer größer.
Dimitri Mendelejew (1834-1907) und Lothar Meyer (1830 - 1895)
Der Russe Mendelejew und der Deutsche Lothar Meyer ordneten 1869 als erstes die damals
etwa 60 bekannten Elemente nach ihrer Masse. Allerdings ﬁel auf, dass sich manchmal
Eigenschaften der Elemente wiederholten. Diese Elemente schrieb Mendelejew übereinander.
So kam er zu einer tabellarischen Anordnung von 7 Gruppen. Manchmal erhielt er allerdings
Lücken in seiner Tabelle. Er vermutete, dass es noch unentdeckte Elemente geben musste.
203
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
(Germanium, Gallium und Scandium). Die 8. Gruppe des PSE (Edelgase) konnten sie nicht
aufstellen, da die Edelgase noch nicht entdeckt waren.
Nils Bohr (1885-1962)
Der Däne Bohr forschte an einzelnen Atomen und beschäftigte sich mit deren Zusammensetzung. Er stellte ein nach ihm benanntes Atommodell auf. Gleichzeitig ﬁng er an diese
Atome nach ihrer Anzahl an Protonen zu ordnen. (Henry G.J. Mosley bestimmte 1913 mit
Hilfe von Röntgenstrahlen erstmalig die Anzahl an Protonen in Atomen). Deshalb nannte
er die Protonenzahl auch Ordnungszahl.
Dieses neue Periodensystem war dem von Mendelejew sehr ähnlich. Nur geringe Änderungen
mussten vorgenommen werden.
8.9 Die historische Entwicklung des Periodensystems der
Elemente (=PSE)
Nach: w:Mendelejew12
Dmitri Iwanowitsch Mendelejew (8.2.1834- 2.2.1907) war ein russischer Chemiker, der auf
der Suche nach einer Systematik der chemischen Elemente war.
Zwischen 1859 und 1861 arbeitete er in Paris über die Dichte der Gase und an der Universität Heidelberg beschäftigte er sich bei Gustav Robert Kirchhoﬀ mit der neuen Untersuchungsmethode der Spektroskopie. Er promovierte 1865 in Chemie in Sankt Petersburg. Sein
Bestreben war, die damals bekannten 63 Elemente in einem System zu ordnen. Eine Hilfe
war, dass 1866 ein Kollege, der Chemiker John A.R. Newland, das Oktavgesetz vorschlug:
„Wenn die Elemente nach steigender relativer
Atommasse geordnet werden, dann ist das
achte Element dem ersten ähnlich.“
Dmitri Mendelejew und der Deutsche Lothar Meyer griﬀen 1869 dieses Gesetz auf und
ordneten die Elemente in einer sich periodisch wiederholenden Anordnung in 7 Gruppen
an. Mendelejew ordnete die Elemente dabei so an, dass ähnliche Merkmale in den gleiche
Gruppen zusammenstehen. Damit dies aber immer aufging, musste er noch 3 Felder frei
lassen. Er vermutete, dass diese drei Elemente noch nicht entdeckt waren. Durch seine
genauen Forschungen konnte er für diese unbekannten Elemente (Gallium, Scandium und
Germanium) allerdings schon einige Vorhersagen über ihre Eigenschaften treﬀen. Hier zeigte
sich sein wahres Genie. Seine Vorhersagen zu Schmelz- und Siedepunkten waren von großer
Genauigkeit und Präzision.
1867 wurde er Professor für Chemie an der Universität Sankt Petersburg. Am 6. März 1869
veröﬀentlichte er das Periodensystem der Elemente (PSE) unter dem Titel „Die Abhän12
204
http://de.wikipedia.org/wiki/Mendelejew
Die historische Entwicklung des Periodensystems der Elemente (=PSE)
gigkeit der chemischen Eigenschaften der Elemente vom Atomgewicht“. Damit vollendete
Mendelejew vorläuﬁg die 50-jährige Suche nach einem Zusammenhang zwischen den Atomgewichten und den chemischen Eigenschaften der chemischen Elemente. Zu seinen Ehren
bekam das Element 101 den Namen Mendelevium.
In zwei Punkten lag Mendelejew’s leider falsch. Die Anordnung der Elemente ____ und
____ sowie ____ und ____ nach ihrer relativen Atommasse entsprach nicht der Anordnung nach ihren Eigenschaften. Man ﬁndet im heutigen PSE sogar noch ein weiteres
Paar: ____ und ____ .
Die Auﬂösung war erst möglich, als Henry G.J. Mosley 1913 begann das PSE nach der
Anzahl an Protonen/ Elektronen zu ordnen. Mit Hilfe von Röntgenstrahlen gelang es ihm
die Ordnungszahl der Elemente zu bestimmen und das heute gültige PSE, geordnet nach
der Protonenzahl, aufzustellen.
Deﬁnition
Deﬁnition
8.9.1 Zusatzinformationen zu Mendelejew
Mendelejew war zugleich der Vater der russischen Ölindustrie. Bereits in den 1860er Jahren
besuchte er die Ölfelder bei Baku in Aserbaidschan. 1876 reiste er im Auftrag der russischen
Regierung in die USA, um die Ölförderung in Pennsylvania zu studieren und Empfehlungen
für die Ausbeutung der russischen Reserven zu geben. Nach seiner Rückkehr erfand er
neue Methoden zur Raﬃnierung des Öls. Seine Empfehlungen fasste er in dem Werk „Die
Erdölindustrie in Pennsylvania und im Kaukasus zusammen“.
Mendelejew war ein Liberaler. In seinen Vorlesungen waren anders als bei seinen Kollegen
auch Frauen zugelassen. Regelmäßig machte er Eingaben an die Regierung, wandte sich
gegen die zaristische Bürokratie und politische Repressionen. Seine Informationen beschaﬀte
er sich bei Bahnreisen durch Russland, auf denen er stets dritter Klasse reiste. 1890 trat
er aus Protest gegen die Einschränkung der universitären Autonomie als Professor zurück.
1893 wurde er auf Betreiben des Finanzministers Direktor des Russischen Amts für Maße
und Gewichte, führte das metrische System in Russland ein. Er starb im Januar 1907 an
den Folgen einer Grippe. An seiner Beerdigung auf dem Petersburger Wolkowo-Friedhof
nahmen mehrere tausend Menschen teil.
Mendelejew war zweimal verheiratet und hatte mehrere Kinder. Er sprach russisch, deutsch
und französisch.
Die Kernthesen zu seinem Vortrag vor der Russischen Gesellschaft für Chemie
im März 1869:
1. Die nach Atomgewicht aufgereihten Elemente zeigen Periodizität in ihren Eigenschaften und ihrem Verhalten.
205
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
2. Elemente mit gleichem Verhalten haben fast das gleiche Atomgewicht (zum Beispiel
Platin, Iridium, Osmium) oder das Atomgewicht erhöht sich gleichmäßig (zum Beispiel
Kalium, Rubidium, Cäsium).
3. Die Anordnung der Elemente oder Gruppen von Elementen entspricht ihrer Wertigkeit
und, bis auf einige Ausnahmen, ihrem charakteristischen Verhalten.
4. Die am häuﬁgsten vorkommenden Elemente haben kleine Atomgewichte.
5. Das Atomgewicht bestimmt die Eigenschaften des Elements, so wie die Eigenschaften
eines Moleküls von seiner Größe bestimmt werden.
6. Die Entdeckung weiterer Elemente ist zu erwarten, beispielsweise die Analogen zu
Aluminium und Silizium mit einem Atomgewicht zwischen 65 und 75.
7. Das Atomgewicht einiger Elemente kann durch diese Anordnung korrigiert werden.
Zum Beispiel muss das Atomgewicht des Tellurs zwischen 123 und 126 liegen. Es
kann nicht 128 betragen.
8. Einige charakteristische Eigenschaften lassen sich aufgrund des Atomgewichts vorhersagen.
Mendelejew schrieb später einmal, beim Verfassen eines Chemiebuches habe er nach einer
Einteilung der chemischen Elemente gesucht. Neben dem Atomgewicht habe er sich von
ihren Eigenschaften leiten lassen:
• Ähnlichkeiten bei der Bildung von Verbindungen
• Elektrochemisches Verhalten und Wertigkeit
• Kristallform der Verbindungen
• Neigung zur Isomorphie
8.10 Isotope des Wasserstoﬀs
Alle Atome eines Elementes haben die gleiche Ordnungszahl und somit die gleiche Anzahl an
Protonen, aber bei einigen Elementen kommt es vor, dass sie sich in ihrer Masse unterschieden. ⇒ Sie haben eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen. Diese Elemente nennt man
Isotope. Zum Beispiel enthält das häuﬁgste Isotop von Wasserstoﬀ keine Neutronen (siehe
Tabelle). Sehr selten ﬁndet man aber auch ein Wasserstoﬀatom mit einem Neutron (z. B. in
Kernkraftwerken). Man spricht von schwerem Wasserstoﬀ. Oder auch von Deuterium. Ein
weiteres Isotop hat zwei Neutronen. Es heißt Tritium.
Übersicht über die bekanntesten Wasserstoﬃsotope:
Eigenschaft
Name
Kernteilchen
206
1H
1
2H
1
Wasserstoﬀ
1p+ / 0 n
Deuterium
1p+ / 1 n
3H
1
Tritium
1p+ / 2
n
Isotope des Wasserstoﬀs
Aufbau
Abb. 80
Häuﬁgkeitsverteilung
Massenzahl
Schmelztemperatur
Siedetemperatur
Abb. 78
1
Abb. 79
0,00015
1 ∗ 10−18
2,015
-259,22
4,028
-254,43
6,032
-252,53
-252,77
-249,58
-248,11
Die Isotope des Wasserstoﬀes sind also durchaus durch ihre Eigenschaften zu unterscheiden
Isotope gibt es nicht nur vom Wasserstoﬀ:
35 Cl
17
Atommasse = 34,969u
-
Deﬁnition
8.10.1 Zusatzinfos: Isotope
In der Regel besitzt jedes natürlich vorkommende Element ein oder wenige stabile Isotope,
während die anderen Isotope radioaktiv (das heißt instabil) sind und früher oder später
zerfallen. Es gibt jedoch auch Elemente, bei denen alle Isotope instabil sind und zerfallen.
Mit 10 stabilen Isotopen hat Zinn die meisten natürlich vorkommenden Isotope. Bei 20 so
genannten Reinelementen gibt es nur ein einziges stabiles Isotop. Diese Elemente sind: Beryllium, Fluor, Natrium, Aluminium, Phosphor, Scandium, Mangan, Kobalt, Arsen, Yttrium,
Niob, Rhodium, Iod, Cäsium, Praseodym, Terbium, Holmium, Thulium, Gold, Bismut.
Ein bekanntes Isotop ist 14 C, das zur Altersbestimmung von organischen Materialien in
der Archäologie benutzt wird (Radiokarbonmethode). Kohlenstoﬀ liegt hauptsächlich als
stabiles Isotop 12 C vor.
Bei natürlich vorkommenden Isotopen hat ihr Verhältnis immer den gleichen Wert. Chlor
besteht z. B. immer aus 75,77% aus 35 Cl (34,969u) und 24,23% 37 Cl (36,996u)
207
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
w:Isotope13
8.10.2 Berechnung mittlere Atommasse
35 Cl:
75,77%
37 Cl:
24,23%
⇒ mittlere Atommasse: 35,453u
14
8.11 Elektronen, Protonen, α-Teilchen und Isotope der
leichteren Elemente
13
14
208
http://de.wikipedia.org/wiki/Isotope
Berechnung: (0,7577 * 34,969u) + (0,2423 * 36,996u) = 35,453u
5
4
3
2
2
Ordnungszahl
1
1
9B
8B
11 Be
10 Be
9 Be
8 Be
7 Be
6 Be
9 Li
8 Li
7 Li
6 Li
5 Li
7 He
6 He
5 He
4 He
3 He
4 He
3T
2+
Bor
Beryllium
Lithium
Elektron
Neutron
Proton
Wasserstoﬀ
Deuterium
Tritium
α-Teilchen
Helium
(3)
Helium
e−
n
1 H+
1H
2H
Element
Symbol
4
5
6
7
5
6
7
8
9
6
7
8
9
10
11
8
9
2
3
4
3
Massenzahl
0
1
1
1
5,012541
6,015126
7,016005
8,022488
9,022488
6,019780
7,016931
8,005308
9,012186
10,013535
11,021660
8,024612
9,013335
4,002604
5,012296
6,018900
2,014102
3,014949
4,001507
3,016030
0,0005486
1,008665
1,007276
1,007825
Masse in u
100
7,42
92,58
99,99987
0,00013
0,015
99,985
99,985
ideale
Häuﬁgkeit
2, 7 ∗ 106a
13, 6s
0,78 s
0,85 s
0,17 s
4 ∗ 10−21 s
53 d
3 ∗ 10−16 s
2 ∗ 10−21 s
0,81 s
e−
ca. 10-21 s
12,26 a
Halbwertszeit
e−
e− ,
e+
p+ ,α

α
e−
e−
p+ ,α
n,α
e−
e−
Strahlung
Elektronen, Protonen, α-Teilchen und Isotope der leichteren Elemente
209
210
7
6
17 N
16 N
15 N
14 N
13 N
12 N
16 C
15 C
14 C
13 C
12 C
11 C
10 C
13 B
12 B
11 B
10 B
Stickstoﬀ
Kohlenstoﬀ
11
12
13
14
15
16
12
13
14
15
16
17
10
11
12
13
10
11,011433
12,000000
13,00345
14,003242
15,010600
16,014702
12,018709
13,002739
14,003074
15,000108
16,006089
17,008449
10,012939
11,009305
12,014353
13,017779
10,016830
99,63
0,37
98,89
1,11
19,6
80,4
7,35 s
4,14 s
5760 a
2,25 s
0,74 s
0,011 s
10,0 min
e+
0,020 s
0,035 s
19 s
e+
e−
e−
e− ,
e−
e+
e+
e− ,
e−
e+ ,
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
Übung: Flammenfärbung
8.12 Die Verteilung der Elektronen in der Atomhülle
8.13 Übung: Flammenfärbung
Welche Energieformen kennst Du bereits, die bei chemischen Reaktionen ein Rolle spielen?
Wärmeenergie, Schallenergie, Bewegungsenergie, Lageenergie, Lichtenergie, usw.)
Material
je
Gruppe:
MagnesiaStäbchen,
Bunsenbrenner,
evtl.
Tiegelzange
Testsubstanzen, Spatel, Pinzette, verd. HCl, ca. 8 beschriftete Schälchen
Versuchsbeschreibung
Glühe ein Magnesiastäbchen aus und tauche es kurz in eine leicht saure Lösung, die jeweils
eines der folgenden Salze enthält: Natriumnitrat, Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat, Kaliumchlorid, Calciumsulfat, Calciumcarbonat, Strontiumnitrat, Bariumnitrat. Dann halte
das Stäbchen in die Brennerﬂamme. Notiere alle Beobachtungen in Tabellenform.
Salz
Natriumnitrat
Natriumchlorid
Natriumcarbonat
Kaliumcarbonat
Kaliumchlorid
Calciumsulfat
Calciumcarbonat
Testsubstanz
NaNO3
Farbe
gelb
NaCl
gelb
Na2 CO3
gelb
K2 CO3
rotorange
KCl
rotorange
CaSO4
rot
CaCO3
rot
211
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
Calciumchlorid
Strontiumnitrat
Strontiumchlorid
Bariumnitrat
Lithiumchlorid
Bariumchlorid
CaCl2/sub>
rot
Sr2 NO3
tiefrosarot
SrCl2
tiefrosarot
Ba(NO3 )2
grün
LiCl
rot
BaCl2
grün
Die Flammenfärbung ist jeweils charakteristisch für die Metalle. So lassen sich auch unbekannte Proben anhand ihrer Flammenfarbe identiﬁzieren
Abb. 81
Was gechied beim Flammenversuch
8.14 Die Energiezustände der Elektronen
Energiestufen Aus dem Versuch der Flammenfärbung wird folgendes Energieschema abgeleitet:
212
Energieniveaus - die Unterteilung der Energiestufen
Abb. 82
Energiestufen-Schema für das Schwefel-Atom
Als Valenzelektronen werden die Elektronen mit der höchsten Quantenzahl bezeichnet (statistisch haben sie den größten Abstand vom Atomkern (Außenelektronen))
Zusammenhang:
Energiegehalt durchschnittliche Entfernung
vom Kern
⇒VE sind die am weitesten vom Kern entfernten Elektronen
8.15 Energieniveaus - die Unterteilung der Energiestufen
Feinbau: Energiestufen sind in unterschiedliche Energieniveaus aufgetrennt
Hinweis: FOLIE Spektrallinien ⇒ Gruppen dünner Linien
Vergleich: Stockwerke im Haus = Energiestufen. Man kann nicht wechseln! Aber man kann
von einem Niveau auf ein anderes wechseln (auf den Tisch klettern)
213
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
Abb. 83
Energiestufen-Schema für das Schwefel-Atom
8.15.1 Besetzungsregeln:
• Die maximale Elektronenzahl für das s-Energieniveau betragt 2 Elektronen, für das pEnergieniveau 6 Elektronen
• Der Aufbau des Energieniveauschemas erfolgt immer von untern nach oben, d. h. es
werden zuerst die geringen Energieniveaus, dann die hohen Energieniveaus besetzt (1s
−→ 2s −→2p−→3s −→3p)
• Hinweis: Die VE der ersten und zweiten HG sind immer auf dem s-Energieniveau, die VE
der 3-8 HG sind auf dem p-Energieniveau (PSE aufklappen und Hinweis, dass in der 11.
Klasse noch was folgt)
8.15.2 Übung: (Schüler stehen entsprechend der
Elektronenkonﬁguration auf )
214
18 Ar:
16 S:
10 Ne:
6 C:
3 Li:
2 He:
1s2
1s2
1s2
1s2
1s2
1s2
2p2
2p6
2p6
2p6
3s2
3s2
3p4
3p6
Energieniveaus - die Unterteilung der Energiestufen
215
Atombau – Das Kern-Hüllen-Modell und das Periodensystem der Elemente
HA 1: Elektronenkonﬁguration unter Berücksichtigung der Energieniveaus für 7 N und 11 Na
Wiederholungsfrage: Unterschiede in Elektronenkonﬁguration bei den Isotopen
14 C
6
12 C
6
8.16 Wiederholungsfragen Kapitel 7: Aufbau der Atome
(Kern-Hülle-Modell)
1. Wie hat Rutherford seine Aussagen über Atome gewonnen. Beschreibe seinen Versuchsaufbau und nenne seine drei wichtigsten Schlussfolgerungen. Warum hat er als
Strahlenquelle Heliumkerne verwendet?
2. Nenne die Elementarteilen und ordne ihnen ihre Masse und Ladung zu
3. Erkläre ein Modell zum Aufenthaltsbereich der Elektronen
4. Zeichne selbst den Aufbau der folgenden Atome: H, He, Li, Na, Mg, Ca, Ba, Al, I
5. Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Anzahl an Elektronenwolken und der
Periodennummer?
6. Nach welchen Kriterien ist das PSE aufgebaut?
7. Besteht ein Zusammenhang zischen der Anzahl an Valenzelektronen und dem PSE?
8. Wie erklärst Du Dir, dass das Verhältnis von Protonen zu Neutronen bei Zunahme
der Ordnungszahl kleiner wird
(z. B. Kohlenstoﬀ hat 6p+ und 6n � 1:1=1; Blei hat 82p+ und 126n � 82:126=0,65)?
9. Der russische Physiker Mendelejew hatte das PSE noch nach der Massenzahl geordnet.
Finde im PSE Beweise, dass die Elemente heute nach ihrer Ordnungszahl und nicht
nach der Massenzahl geordnet sind.
10. Was vermutest Du, war der Grund, warum es solange gedauert hat, die Elemente
sinnvoll anzuordnen?
11. Berechne den Anteil an metallischen Elementen im PSE.
12. Erkläre die Begriﬀe Hauptgruppe und Elementperiode.
13. Erkläre die Begriﬀe „Ordnungszahl“, „Protonenzahl“, „Massenzahl“
14. Was sind Isotope? Nenne Beispiele!
15. Warum sind bestimmte Kombinationen von Protonen und Neutronen bei einem Element häuﬁger zu ﬁnden als andere?
16. Was vermutest Du, ist der Grund, dass es nicht von jedem Element Isotope gibt?
17. Nenne die verschiedenen Typen Radioaktiver Strahlung und zeige, wie sie entstehen
(nur falls im UR besprochen)
18. Erkläre das Prinzip der Radio-Karbon Methode (14C-Methode) zur Altersbestimmung
(nur falls im UR besprochen)
19. Was sind Isotope? Nenne Beispiele und vervollständige dann die Tabelle:
216
Protonenzahl
Elektronenzahl
Neutonenzahl
Name
Wasserstoﬀ
1H
1
Deuterium
2H
1
Tritium
3H
1
12 C
6
14 C
6
Wiederholungsfragen Kapitel 7: Aufbau der Atome (Kern-Hülle-Modell)
217
9 Radioaktivität
9.1 Informationen zur Radioaktivität
Nach w:Radioaktivität1
Unter Radioaktivität oder radioaktivem Zerfall versteht man die spontane Umwandlung
instabiler Atomkerne unter Energieabgabe. Die freiwerdende Energie wird in Form energiereicher Teilchen oder Strahlung abgegeben, die entweder als Alphateilchen, Betateilchen
oder Gammastrahlung bzw. Röntgenstrahlen bezeichnet werden.
Radioaktive Stoﬀe sind sehr schwere Elemente, welche eine hohe Anzahl an Protonen und
somit in ihrem Atomkern eine hohe Spannung haben, da alle Protonen sich gegenseitig
mit ihren positiven Ladungen abstoßen. Man spricht auch vom radioaktiven Zerfall der
Atomkerne.
Bei einem solchen Zerfall kann sich die Protonenzahl des Atoms ändern (d. h. es ﬁndet
eine Umwandlung in ein anderes chemisches Element statt). Es kann sich aber auch nur
die Massenzahl ändern (d. h. Umwandlung in ein anderes Isotop desselben Elements). Die
Stärke der Radioaktivität wird durch den physikalischen Begriﬀ der „Aktivität” beschrieben
und in der Einheit Becquerel angegeben.
Die Halbwertszeit ist der Zeitraum, nach dem durchschnittlich die Hälfte der instabilen
Atomkerne einer Menge zerfallen sind. Sie kann nur Sekundenbruchteile, aber auch einige
Milliarden Jahre betragen. Derartige Nuklide sind beispielsweise Uran-238 und Uran-235,
Thorium oder Kalium-40. Je kürzer die Halbwertszeit, desto größer die Radioaktivität.
Mathematisch wird der Zerfall durch das Zerfallsgesetz beschrieben.
9.2 Die Entdeckung der Radioaktivität
Der französische Physiker Antoine Henri Becquerel stellte 1896 fest, dass das Element
Uran lichtempﬁndlichen Film schwärzen kann, selbst wenn er nicht vom Uran berührt wird.
Die polnische Chemikerin Marie Curie und ihr Ehemann Pierre Curie waren 1898 auf der
Suche nach einem neuen Element, welches sie aus der Pechblende zu isolieren versuchten.
Marie entdeckte bei ihren Forschungen neben dem Radium dann auch das Polonium, welches
sie nach ihrer Heimat nannte. Sie bewies also, dass Radioaktivität eine Elementeigenschaft
ist und bei verschiedenen Elementen auftritt. Gerhard Carl Schmidt aus Erlangen machte
zur gleichen Zeit ähnliche Entdeckungen.
1
http://de.wikipedia.org/wiki/Radioaktivit%C3%A4t
219
Radioaktivität
1899 war ein wichtiges Jahr. Die Briten Ernest Rutherford und Frederick Soddy entdeckten das radioaktive Gas Radon, der Franzose André Louis Debierne fand das strahlende
Actinium.
Schon bald wusste man, dass die Radioaktivität eine sehr große Energiequelle ist. Die Curies
berechneten die beim radioaktiven Zerfall von Radium frei werdende Wärmeenergie auf
etwa 420 Joule/ (Gramm Radium • Stunde). Bemerkenswert fanden sie daran, dass diese
Energie in Wärme umgewandelt werden kann und diese über Jahre unvermindert anhält.
(Zum Vergleich: 1g Kohlenstoﬀ setzt 33 600 Joule frei).
Was die Curies nicht ahnten, war allerdings die stark schädigende Wirkung der Radioaktivität. Da sie beide viele Jahre schutzlos mit radioaktiven Stoﬀen arbeiteten, waren sie
hochgradig verstrahlt und starben beide an den Folgen der Strahlenkrankheit.
9.3 Schreibweise der Reaktionsschemata
Beim radioaktiven Zerfall ist nur der Atomkern beteiligt, nicht aber die Elektronenhülle. In
den Reaktionsschemata werden daher auch nur die Atomkerne berücksichtigt.
Ein Atomkern ist durch die Kernladungszahl (Ordnungszahl) Z und die Massenzahl (Nukleonenzahl) A gekennzeichnet
Nukleonenzahl (A) = Protonenzahl (Z) plus Neutronenzahl (N): A = Z + N
Ein Atomkern X wird daher wie folgt gekennzeichnet:
A X,
Z
z. B. 238
92 U ; die Kernladungszahl kann fortgelassen werden, da sie durch das Elementsymbol gegeben ist: 238 U .
Neutronen werden mit 1 n oder n bezeichnet, Elektronen mit e- , einzelne Protonen mit p+
(sofern sie nicht als H+ bezeichnet werden).
9.4 Strahlungsarten
Schon Rutherford bestätigte, dass es mehrere Strahlungsarten geben muss:
• positiv geladene Alphateilchen, die Papier nicht durchdringen können
• negativ geladene Betateilchen, welche kleiner sind und die Haut von Menschen durchdringen
• ungeladene Gammastrahlung
9.4.1 Aufgaben zum Verständnis:
1. Was versteht man unter Radioaktivität? Erkläre und nenne Beispiele!
2. Welche Arten von Strahlung gibt es? Welche Gefahren gehen davon aus?
3. Wie erklärst Du Dir den radioaktiven Zerfall?
220
Strahlungsarten
9.4.2 Was ist Radioaktivität?
Wiederhole zuerst die Begriﬀe Ordnungszahl, Kernladungszahl und Massenzahl sowie das
Modell zur Anziehung von geladenen Teilchen!2
9.4.3 Versuch von Henri Becquerel (1896)
Abb. 84 Versuchsaufbau des Strahlungsnachweises von Uran beim Durchdringen einer
Metallplatte
Einige Elemente geben eine unsichtbare Strahlung ab, welche Metalle (Hinweis Rutherford: sehr dünne Folien schon) nicht durchdringt, aber Fotoplatten schwärzt. Sie wird als
Radioaktivität bezeichnet (griech.: „radius“ = Strahl).
9.4.4 Versuch zur Untersuchung der Strahlungsarten
Die Strahlung von 3 Proben wird durch eine Metallplatte gebündelt und durch ein Magnetfeld geleitet. Die Ablenkung im Magnetfeld wird gemessen.
Die Proben: a)
2
232 Th,
b)
228 Ra,
c)
224 Ra
Was passiert, wenn Du Plastikfolie und Papier aneinander reibst? (Papier und Folie ziehen sich an, da sie
gegensätzliche Ladungen haben. Folie und Folie hingegen stoßen sich ab (⇒ gleichsinnige Ladungen)
221
Radioaktivität
Abb. 85 Versuchsaufbau des Strahlungsnachweises verschiedener radioaktiver Proben
beim Durchdringen einer Metallplatte und eines Magnetfeldes
Erklärung:
Richtung der magnetischen Feldlinien: in die Bildebene hinein.
• α-Strahlen [a)] werden nach oben abgelenkt (Rechte-Hand-Regel3 ).
• -Strahlen [b)] werden nach unten abgelenkt.
• -Strahlen [c)] werden nicht abgelenkt.
• α-Strahlen bestehen aus positiv geladenen Heliumkernen: (v = 10000-30000 km/s),
Beispiel für Alpha-Zerfall:
232 Th
90
4
−→ 228
88 Ra + 2 He (Heliumkern)
• -Strahlen bestehen aus Elektronen: (v = 130 000 km/s),
Beispiel für Beta-Zerfall:
228 Ra
88
−
−→ 228
89 Ac + e
• -Strahlen sind energiereiche, hochfrequente elektromagnetische Wellen, die den Röntgenstrahlen sehr ähnlich sind
Gammastrahlen werden meistens beim Alpha- oder Betazerfall zusätzlich emittiert.
Beispiel:
224 Ra
88
4
−→ 220
86 Rn + 2 He + γ
Deﬁnition
Deﬁnition
3
222
http://de.wikipedia.org/wiki/Drei-Finger-Regel
Strahlungsarten
9.4.5 Zerfallsarten
Tabellensammlung Chemie/ Tabelle der Isotope4
α-Zerfall (Abstrahlung von He - Kernen)
Abnahme von 2 Protonen und 2 Neutronen des strahlenden Nuklids
238 U
92
4
17 s)
−→ 234
90 Th + 2 He (Halbwertszeit 1,4•10
210 Po
84
4
7
−→ 206
82 Pb(stabil) + 2 He (Halbwertszeit 1,2•10 s)
Allgemein:
A
ZX
′
4
−→ A−4
Z−2 X + 2 He
-Zerfall (Abstrahlung von Elektronen)
Bei Nukliden mit zu hohem Neutronen / Protonen - Verhältnis bewirkt die -Emission eine
Abnahme der Neutronenzahl um 1 und eine Zunahme der Protonenzahl um 1 (Umwandlung
eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron). Das Elektron stammt also nicht aus der
Elektronenhülle, sondern aus dem Atomkern durch die Umwandlung eines Neutrons.
234 Th
90
−
6
−→ 234
91 Pa + e (Halbwertszeit 2,1•10 s)
14 C −→ 14 N+e−
6
7
(Halbwertszeit 1,8•1011 s) (Zerfallsreaktion zur C-14 - Altersbestimmung)
Allgemein:
A
ZX
A
−→ Z+1
X ′ + e−
-Strahlen
Die Emission von Gammastrahlen allein ist nicht mit einer Änderung der Zusammensetzung
des Atomkerns verbunden. Außer beim Alpha- und Betazerfall werden Gammastrahlen
auch beim Übergang eines Atomkerns von einem energetisch angeregten Zustand in einen
energetisch niedrigeren emittiert.
Beispiel:
60m Ni
28
−→ 60
28 Ni + γ
Neutronenstrahlen
sind energiereiche Neutronen 10 n
4
http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung%20Chemie%2F%20Tabelle%20der%20Isotope
223
Radioaktivität
9.5 C14 - Methode zur Altersbestimmung
14
C −→ 14 N + e−
Die Halbwertszeit ist der Zeitraum, in dem die Hälfte aller ursprünglich vorhandenen Atome
zerfallen ist. Sie ist für jedes Isotop verschieden und von äußeren Bedingungen unabhängig.
Durch natürliche Radioaktivität existiert das Kohlenstoﬃsotop 14 C. Es wird von allen Lebewesen mit der Nahrung aufgenommen, solange diese leben. Nach dem Tode kann man
durch den „Restgehalt“ an 14 C bestimmen, wann das Lebewesen lebte.
Halbwertszeit
14 C
= 5730 Jahre
⇒ Von 100%
14 C
sind nach 5730 Jahren nur noch 50% vorhanden.
⇒ Von 100%
14 C
sind nach 11460 Jahren nur noch 25% vorhanden...
9.6 Massendefekt
Die Summe der Massen aller Elementarteilchen eines Atoms ist verschieden von der eﬀektiven Atommasse. Die Diﬀerenz wird als Massendefekt bezeichnet.
9.6.1 Beispiel:
Summe der Protonen-, Elektronen- und Neutronenmassen:
m(35 Cl) = 17 · (1, 007277 u + 0, 0005486 u) + 18 · 1, 008665 u
= 35, 28901 u
Atommasse:
m(35 Cl)ef f = 34, 96885 u
Massendefekt:
m(35 Cl) − m(35 Cl)ef f = 0, 32016 u
Nach E = m * c² lässt sich aus dem Massendefekt die Bindungsenergie der Kernbausteine
berechnen:
E = 0, 32016 · 1, 66056 · 10−27 kg · 9 · 1016 m2 s−2
E = 4, 78 · 10−11 J pro Chloratom oder
224
Die Atombombe
E = 1, 37 · 10−12 J pro Nukleon des Chlors (1/35 von
35 Cl).
Mit 1, 60219 · 10−19 J = 1eV
ist die Kernbindungsenergie 8,5 MeV pro Nukleon des Chlor-35. Die Kernbindungsenergie
in 1 g 35 Cl beträgt 229.000 kWh !
9.7 Die Atombombe
w:Atombombe5
Am 6. August 1945 wurde die japanische Stadt Hiroshima zerstört. Drei Tage später die
Stadt Nagasaki, welches die damalige japanische Regierung zum Aufgeben und letztlich zum
Ende des 2. Weltkriegs führte. Einer solchen Sprengkraft hatte kein Land der Welt etwas
entgegenzusetzen.
Atombomben zählen zusammen mit Wasserstoﬀ- und Neutronenbomben zu den Kernwaﬀen.
Durch Atomspaltungen werden gewaltige Energiemengen frei, welche ein unvorstellbares
Zerstörungspotential haben.
Bereits die ersten Kernwaﬀen mit nur 1%-iger Eﬃzienz erreichten Explosionsenergien, die
mehr als zehntausend Tonnen konventionellen Sprengstoﬀs entsprachen. Damit setzten sie
genug Energie frei, um die japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki fast vollständig
zu zerstören und Hunderttausende von Menschen zu töten. Während des Kalten Krieges
entwickelten vor allem die USA und die Sowjetunion Kernwaﬀen mit teilweise mehr als zehn
Millionen Tonnen TNT-Äquivalent.
Die stärkste jemals explodierte Bombe war die sowjetische Zar-Bombe. Sie wurde am 30.
Oktober 1961 bei einem atmosphärischen Kernwaﬀentest gezündet und setzte eine Energie von etwa 57.000 Kilotonnen (= 57 Megatonnen) TNT-Äquivalent frei. Zum Vergleich:
die Hiroshima-Bombe hatte eine Sprengkraft von 13 Kilotonnen TNT. Eine Bombe mit
derartiger Kraft hätte im Kriegseinsatz ganze Ballungsgebiete verwüstet. Die Temperatur, die bei einer nuklearen Explosion erzeugt wird, beträgt zwischen 200.000.000 °C und
300.000.000 °C.
Durch ihre große Zerstörungskraft, aber mehr noch durch die bei der Explosion freigesetzten radioaktiven Rückstände stellen Kernwaﬀen eine ernste existenzielle Bedrohung für die
Menschheit und das Leben auf der Erde dar.
9.8 Die Entwicklung der ersten Kernwaﬀen
Allgemein bekannt für ihre Arbeit bei der Entwicklung von Kernwaﬀen sind Robert Oppenheimer und Edward Teller. Der erste Wissenschaftler, der ernsthaft über den tatsächlichen
Bau einer Kernwaﬀe nachdachte, war jedoch der Physiker Leó Szilárd.
5
http://de.wikipedia.org/wiki/Atombombe
225
Radioaktivität
Bereits im September 1933 dachte er an die Möglichkeit, mittels Beschuss durch Neutronen
Atomkerne zu einer Kettenreaktion anzuregen. Diese Idee war zu jener Zeit noch sehr umstritten, später auf diesem Gebiet sehr erfolgreiche Forscher wie Ernest Rutherford, Enrico
Fermi und Otto Hahn glaubten damals noch nicht daran, dass Atomkerne sich überhaupt
spalten lassen.
Nach einigen Jahren der Grundlagenforschung (u.a. von Otto Hahn, Fritz Straßmann, Frédéric Joliot-Curie, Enrico Fermi) war es im Frühsommer 1939 soweit, dass die notwendigen theoretischen Grundlagen veröﬀentlicht waren, um bei ausreichender Verfügbarkeit von
spaltbarem Uran eine Kernwaﬀe zu bauen.
Schon vor dem Beginn des Zweiten Weltkrieges am 1. September 1939 richteten die drei in
den Vereinigten Staaten lebenden Physiker und Leó Szilárd, Albert Einstein und Eugene
Paul Wigner im August 1939 einen Brief an den damaligen US-Präsidenten Franklin D.
Roosevelt, um ihn vor der Möglichkeit der Entwicklung einer Atombombe in Deutschland
zu warnen und ihn im Gegenzug zu der Entwicklung einer eigenen Atombombe anzuregen.
Als die amerikanische Regierung davon überzeugt wurde, dass die Entwicklung einer Atombombe grundsätzlich möglich ist, und dass auch der Kriegsgegner Deutschland diese Möglichkeit besitzt, wurden die Forschungen intensiviert und führten schließlich zum amerikanischen Manhattan-Projekt, welches von Dr. J. Robert Oppenheimer geleitet wurde.
In Deutschland arbeiteten während des Zweiten Weltkrieges Wissenschaftler wie u. a. Werner Heisenberg, Carl Friedrich von Weizsäcker, Walther Gerlach, Kurt Diebner und Otto
Hahn an der Entwicklung einer Atombombe.
226
10 Hauptgruppen des PSE
10.1 Übersicht
Das Periodensystem teilt sich in Perioden und Hauptgruppen auf. Elemente mit ähnlichen
Eigenschaften stehen dabei oft übereinander. In diesem Kapitel wirst Du die Elemente der
1., 2., 7. und 8. Hauptgruppe etwas näher kennen lernen.
227
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
228
http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoff
http://de.wikipedia.org/wiki/Helium
http://de.wikipedia.org/wiki/Lithium
http://de.wikipedia.org/wiki/Beryllium
http://de.wikipedia.org/wiki/Bor
http://de.wikipedia.org/wiki/Kohlenstoff
http://de.wikipedia.org/wiki/Stickstoff
http://de.wikipedia.org/wiki/Sauerstoff
http://de.wikipedia.org/wiki/Fluor
http://de.wikipedia.org/wiki/Neon
http://de.wikipedia.org/wiki/Natrium
http://de.wikipedia.org/wiki/Magnesium
http://de.wikipedia.org/wiki/Aluminium
http://de.wikipedia.org/wiki/Silicium
http://de.wikipedia.org/wiki/Phosphor
http://de.wikipedia.org/wiki/Schwefel
http://de.wikipedia.org/wiki/Chlor
http://de.wikipedia.org/wiki/Argon
H1
Li3
Be4
Na11 Mg12
C6
Si14
B5
Al13
P15
N7
S16
O8
Cl17
F9
Hauptgruppen des PSE
He2
Ne10
Ar18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
Ca20 Sc21
Ti22
V23
Cr24
http://de.wikipedia.org/wiki/Kalium
http://de.wikipedia.org/wiki/Calcium
http://de.wikipedia.org/wiki/Scandium
http://de.wikipedia.org/wiki/Titanium
http://de.wikipedia.org/wiki/Vanadium
http://de.wikipedia.org/wiki/Chrom
http://de.wikipedia.org/wiki/Mangan
http://de.wikipedia.org/wiki/Eisen
http://de.wikipedia.org/wiki/Cobalt
http://de.wikipedia.org/wiki/Nickel
http://de.wikipedia.org/wiki/Kupfer
http://de.wikipedia.org/wiki/Zink
http://de.wikipedia.org/wiki/Gallium
http://de.wikipedia.org/wiki/Germanium
http://de.wikipedia.org/wiki/Germanium
http://de.wikipedia.org/wiki/Arsen
http://de.wikipedia.org/wiki/Selen
http://de.wikipedia.org/wiki/Selen
http://de.wikipedia.org/wiki/Brom
http://de.wikipedia.org/wiki/Krypton
K19
Mn25 Fe26
Co27 Ni28
Cu29 Zn30
Ga31 G32
e33
As34
S35
e36
Br37
Übersicht
229
Kr38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
230
Y41
Zr42
Nb43 Mb44 Tc45
http://de.wikipedia.org/wiki/Rubidium
http://de.wikipedia.org/wiki/Strontium
http://de.wikipedia.org/wiki/Yttrium
http://de.wikipedia.org/wiki/Zirconium
http://de.wikipedia.org/wiki/Niob
http://de.wikipedia.org/wiki/Molybd%C3%A4n
http://de.wikipedia.org/wiki/Technetium
http://de.wikipedia.org/wiki/Ruthenium
http://de.wikipedia.org/wiki/Rhodium
http://de.wikipedia.org/wiki/Palladium
http://de.wikipedia.org/wiki/Silber
http://de.wikipedia.org/wiki/Cadmium
http://de.wikipedia.org/wiki/Indium
http://de.wikipedia.org/wiki/Zinn
http://de.wikipedia.org/wiki/Antimon
http://de.wikipedia.org/wiki/Antimon
http://de.wikipedia.org/wiki/Tellur
http://de.wikipedia.org/wiki/Iod
http://de.wikipedia.org/wiki/Xenon
Rb39 Sr40
Ru46 Rh47 Pd48 Ag49 Cd50 In51
Sn52
S53
b54
Te55
I56
Hauptgruppen des PSE
Xe57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
Ba59
La60
Hf61
Ta62
W63
Re64
http://de.wikipedia.org/wiki/Caesium
http://de.wikipedia.org/wiki/Barium
http://de.wikipedia.org/wiki/Lanthan
http://de.wikipedia.org/wiki/Hafnium
http://de.wikipedia.org/wiki/Tantal
http://de.wikipedia.org/wiki/Wolfram
http://de.wikipedia.org/wiki/Rhenium
http://de.wikipedia.org/wiki/Osmium
http://de.wikipedia.org/wiki/Iridium
http://de.wikipedia.org/wiki/Platin
http://de.wikipedia.org/wiki/Gold
http://de.wikipedia.org/wiki/Quecksilber
http://de.wikipedia.org/wiki/Thallium
http://de.wikipedia.org/wiki/Blei
http://de.wikipedia.org/wiki/Bismut
http://de.wikipedia.org/wiki/Polonium
http://de.wikipedia.org/wiki/Polonium
http://de.wikipedia.org/wiki/Astat
http://de.wikipedia.org/wiki/Astat
http://de.wikipedia.org/wiki/Radon
Cs58
Os65
Ir66
Pt67
Au68 Hg69 Tl70
Pb71
Bi72
P73
o74
A75
t76
Übersicht
231
Rn77
Hauptgruppen des PSE
232
Legende
Alkalimetalle
Erdalkalimetalle
Nebengruppenelemente
Metalle
Halbmetalle
Nichtmetalle
Halogene
Edelgase
Übersicht
233
Hauptgruppen des PSE
radioaktives Element
Wenn man mit der Maus über das Elementsymbol fährt, erscheint der Name des Elements.
Klickt man auf den blauen Link so kommt man zu dem zugehörigen Wikipedia-Artikel.
Ein vollständiges Periodensystem zum Ausdrucken auf ein DIN A4 Papier ﬁndet man unter
Tabellensammlung Chemie/ Periodensystem78 .
10.2 Eigenschaften der Alkalimetalle
Die chemischen Elemente der 1. Hauptgruppe des Periodensystems (Lithium, Natrium,
Kalium, Rubidium, Cäsium, Francium) werden auch als Alkalimetalle bezeichnet. Sie sind
alle sehr reaktiv und besitzen alle ein einzelnes Valenzelektron. Der Name kommt vom
Arabischen „Al-quali“, welches „aus Pﬂanzenasche“ bedeutet. Vermutlich haben sie ihren
Namen durch das Element „Kalium“, welches ein Bestandteil der Pottasche ist.
Versuch
1) Schneiden von Na
2)
Lithium wird auf Wasser gelegt, am Ende
wird Indikator zugefügt
3a) Natrium wird auf Wasser gelegt|
3b) Unter das Natrium wird
etwas Filterpapier gelegt
Beobachtung
Metallische Schnittﬂäche
Anlaufen
Lithium schwimmt
der Indikator zeigt eine
Lauge
Gasentwicklung, heftige
Reaktion
siehe oben
+ Abkugeln des Metalls
Na kann sich nicht
mehr bewegen, rote
Flamme, explosionsartige Umsetzung
Schlussfolgerung
Dichte < H2 O
Metall, welches an der
Luft sofort oxidiert
Dichte < H2 O
⇒es ist eine Lauge
Li + H2 O −→ LiOH +
H2 +E
Dichte < H2 O
⇒Metall schmilzt
Na + H2 O −→ NaOH
+ H2 +E
Entzündungstemperatur von H2 wird überschritten, da Hitze nicht
rechtzeitig verteilt werden kann
Na + H2 O −→ NaOH
+ H2 +E
Zu 3b: Man kann beweisen, dass H2 tatsächlich entsteht, indem man das Gas auﬀängt und
eine Knallgasprobe durchführt. Dieser Nachweis ist positiv.
78
234
http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung%20Chemie%2F%20Periodensystem
Gemeinsame Eigenschaften der 1. Hauptgruppe
Deﬁnition
Die Alkalimetalle ﬁndet man in der 1. HG des Periodensystems. Ausnahme: Wasserstoﬀ
ist kein Alkalimetall! Die Alkalimetalle reagieren heftig mit Wasser unter Bildung von
Wasserstoﬀ und der entsprechenden Lauge. Sie sind weich und können mit einem Messer
geschnitten werden. Sie sind sehr unbeständig und reagieren mit vielen Stoﬀen äußerst
heftig. Deswegen werden sie unter Schutzﬂüssigkeiten wie Paraﬃn oder Petroleum aufbewahrt.
10.2.1 Zusatzinformationen
w:Alkalimetalle79 (w:Lithium80 , w:Natrium81 , w:Kalium82 ) lassen sich auch verbrennen:
Verbrennung von Li: Li + O2 −→ 2 Li2 O +E
Wenn man dann die Rückstände im Reagenzglas mit Wasser reagieren lässt, entsteht
wieder eine Lauge:
2 Li2 O + H2 O −→ 2 LiOH +E
10.3 Gemeinsame Eigenschaften der 1. Hauptgruppe
1. Alle Alkalimetalle haben ein Valenzelektron. Zum Erreichen der Edelgaskonﬁguration reicht es, ein Elektron abzugeben. Dazu ist nur wenig „Ionisierungsenergie“ notwendig. (Die Energie, die zur Abspaltung eines Elektron benötigt wird, nennt man
Ionisierungsenergie.)
2. Die Dichte nimmt vom Li zum Fr zu
3. Die Schmelztemperatur nimmt mit steigender Masse vom Li zum Fr ab
4. Abnahme der Elektronegativität und Abnahme der Elektronenaﬃnität
5. Die Atomradien nehmen vom Li zum Fr zu
6. Die Reaktivität der Metalle der 1. HG nimmt vom Li zum Fr zu. Rb und Cs explodieren
sofort bei Wasserkontakt, Cs schon bei Kontakt mit Luft.
10.3.1 Warum nimmt Reaktivität zu?
Die Atomkerne werden zwar vom Li zum Fr immer größer, aber die Elektronenhülle wird um
ein Vielfaches größer, da sie von Periode zu Periode mehr Elektronen „beherbergen“ muss. In
der Konsequenz nimmt der Abstand vom positiven Kern zum negativen Valenzelektron zu
und es wird immer leichter ein Elektron abzuspalten und Edelgaskonﬁguration zu erreichen.
79
80
81
82
http://de.wikipedia.org/wiki/Alkalimetalle
http://de.wikipedia.org/wiki/Lithium
http://de.wikipedia.org/wiki/Natrium
http://de.wikipedia.org/wiki/Kalium
235
Hauptgruppen des PSE
Da also immer weniger Ionisierungsenergie benötigt wird, nimmt sie vom Li zum Fr ab.
Entsprechend nimmt die Reaktivität zu.
Praktikum Anorganische Chemie/ Flammenfärbung83 Des weiteren zeigen Alkalimetalle
und ihre Salze für jedes Element eine typische Flammenfärbung:
•
•
•
•
•
Lithium(-salz) färbt Flammen rot,
Natrium(-salz) färbt Flammen gelborange,
Kalium(-salz) färbt Flammen violett,
Rubidium(-salz) färbt Flammen rot
und Caesium(-salz) färbt Flammen blauviolett.
Aufgrund dieser Flammenfärbung werden Alkalimetallverbindungen für Feuerwerke benutzt.
10.4 Die Erdalkalimetalle
Die Erdalkalimetalle sind die Elemente der 2. Hauptgruppe des Periodensystems:
Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Radium
In der Natur kommen sie vor allem in Salzen vor. Kalk (z. B. in Knochen) und Gips enthalten
Calcium. Magnesium ﬁndet man auch im Blattgrün von Pﬂanzen und in den Muskeln
von Säugetieren. Erdalkalimetalle kommen in der Natur nur gebunden vor, da sie sehr
reaktionsfreudig sind.
10.4.1 1. Reaktionen mit Wasser
Versuchsbeschreibung
Calcium und Magnesium werden mit Wasser vermischt
Beobachtung
1. Calcium
• Calcium beginnt nach wenigen Sekunden heftig mit Wasser zu reagieren
• die Heftigkeit der Reaktion nimmt zu
• Reaktionshitze
• Gasentwicklung
• weißes Produkt
2. Magnesium
• Magnesium reagiert nur mit heißem Wasser und wenn es von der Oxidschicht befreit
wird.
• kleine Gasblasen
Beide Lösungen bilden eine Lauge
83
236
http://de.wikibooks.org/wiki/Praktikum%20Anorganische%20Chemie%2F%20Flammenf%C3%
A4rbung
Gemeinsame Eigenschaften der 2. Hauptgruppe
Schlussfolgerung
a) Ca + 2 H2 O −→ Ca(OH)2 + H2 + E
b) Mg + 2 H2 O −→ Mg(OH)2 + H2 + E
10.4.2 2. Reaktion mit Sauerstoﬀ:
Versuchsbeschreibung
Magnesium wird verbrannt
Beobachtung
weiße helle Flamme
Schlussfolgerung
2 Mg + O2 −→ 2 MgO +E
10.4.3 3. Flammenfärbung:
Ion
Farbe
Ca
Sr
Ba
10.5 Gemeinsame Eigenschaften der 2. Hauptgruppe
Praktikum Anorganische Chemie/ Flammenfärbung84
• Die Härte der Erdalkalimetalle nimmt vom Beryllium zum Radium ab.
• Die Reaktionsfähigkeit der Erdalkalimetalle mit Wasser nimmt innerhalb der Hauptgruppe zum Barium hin zu.
• Auch Erdalkalimetalle und deren Salze färben die Brennerﬂamme:
Calcium färbt die Brennerﬂamme ziegelrot, Strontium karminrot Barium grün. Beryllium,
Magnesium und Radium weisen keine Flammenfärbung auf.
10.5.1 Aufgaben:
1.
2.
3.
4.
84
Warum verzögert sich der Reaktionsbeginn?
Wie heißt der Reaktionstyp? Welches sind seine Kennzeichen?
Warum bilden alle Erdalkalimetalle zweifach positive Ionen?
In welcher Form treten Calciumverbindungen in der Natur auf?
http://de.wikibooks.org/wiki/Praktikum%20Anorganische%20Chemie%2F%20Flammenf%C3%
A4rbung
237
Hauptgruppen des PSE
10.5.2 Zusatzinformationen:
w:Erdalkalimetalle85 (w:Magnesium86 , w:Calcium87 , w:Barium88 , w:Strontium89 )
10.6 Die Halogene
Als Halogene (griech. „Salzbildner“) werden die Elemente der 7. Hauptgruppe des Periodensystems bezeichnet. Zu den Halogenen gehören die Elemente Fluor, Chlor, Brom, Jod,
Astat. Allen Elementen ist gemeinsam, dass sie sieben Valenzelektronen haben und dass sie
sehr reaktiv sind. In der Natur kommen sie vor allem in Form von Salzen vor.
10.6.1 Besonderheiten:
•
•
•
•
Als Element liegen alle als zweiatomige Moleküle vor (F2 , Cl2 , Br2 , I2 …)
Alle Halogene sind sehr reaktionsfreudig
Die Reaktivität nimmt von Fluor zu Iod ab
Halogene reagieren gut mit Wasserstoﬀ und bilden dabei Halogenwasserstoﬀe, die in Wasser gelöst zu Säuren werden
• Halogene reagieren auch gut mit Metallen
10.6.2 Fluor [F2 ]
Das gelb-grüne Gas Fluor ist das reaktivste chemische Element überhaupt. Es reagiert mit
fast allen Verbindungen, selbst mit Edelgasen sind u.U. Reaktionen möglich! Aus diesem
Grunde ist es für alle Lebewesen sehr giftig90 . In der Natur tritt es nur in Form von
Fluoriden z. B. in Salzen auf.
Sein Name leitet sich über lat. ﬂuor, das Fließen, von Flussspat ab, dem wichtigsten
Mineral, das Fluor enthält.
Eigenschaften & Besonderheiten
• bei Raumtemperatur das stärkste beständige Oxidationsmittel.
• Es ist das elektronegativste Element
• Mit fast allen anderen Elementen bildet Fluor spontan Verbindungen. Selbst mit den
Edelgasen Xenon und Radon und Krypton reagiert Fluor.
85
86
87
88
89
90
238
http://de.wikipedia.org/wiki/Erdalkalimetalle
http://de.wikipedia.org/wiki/Magnesium
http://de.wikipedia.org/wiki/Calcium
http://de.wikipedia.org/wiki/Barium
http://de.wikipedia.org/wiki/Strontium
Ein gewisser Schutz vor Fluorvergiftungen ist der sehr starke und äußerst unangenehme Geruch des Gases.
(Achtung: Der nicht minder gefährliche Fluorwasserstoﬀ ist geruchlos und daher extrem gefährlich!)
Die Halogene
• Besonders heftige, explosionsartig verlaufende Reaktionen beobachtet man mit wasserstoﬀhaltigen, gasförmigen und ﬂüssigen Verbindungen wie beispielsweise Wasser (H2 O)
und Ammoniak (NH3 ). So wird Wasser durch Fluor in Sauerstoﬀ (O2 ) und Fluorwasserstoﬀ (HF) gespalten. Treibende Kraft hinter all diesen Reaktionen ist jeweils die äußerst
exotherm verlaufende Bildung von Fluorwasserstoﬀ.
• Aufgrund der sehr schwachen F-F-Bindung (die Bindungsenergie beträgt nur 38
kcal/mol), lässt sich Fluor thermisch leicht spalten. Schon bei 400 °C liegt Fluor in erheblichem Maße in atomarer Form vor.
Verwendung
In Zahnpasta, bei der Alu-Herstellung, Kühlmittel, Insektizide, Herbizide, Fungizide, als
Kampfstoﬀ in chemischen Waﬀen, 5-Fluoruracil (Medikament, welches Krebszellen abtötet),
Schmiermittel für Festplatten in Computern, High-Energy-Treibstoﬀ für Raketenmotoren,
Bestandteil von PTFE (Polytetraﬂuorethylen, Handelsname: Teﬂon)
10.6.3 Chlor [Cl2 ] (Chloros = Grün)
Menschen verwenden das bei Raumtemperatur gasförmige Chlor z. B. im Schwimmbad,
im Trinkwasser oder in Reinigungsmitteln. Wenn man lange schwimmt, braucht man im
Schwimmbad eine Chlorbrille. Wozu eigentlich?
Die Aufgabe des Chlors ist die Desinfektion (=Abtöten von Keimen). Chlor ist demzufolge
ein sehr reaktionsfreudiges Element.
Worauf beruht diese Wirkung?
• Reaktion mit Wasser zu Salzsäure:
• Cl2 + H2 O −→ HCl + HOCl + E
• 2Cl2 + 2H2 O −→ 4HCl + O2 + E
• bleichende Wirkung
• riecht stechend
• Reagiert mit fast allen Metallen und Nichtmetallen � eines der reaktionsfähigsten Elemente
• Chlor entreißt vielen Verbindungen den Wasserstoﬀ
• In der Natur kommen 2 stabile Isotope von Chlor vor: 35 Cl, (ca. 75%) und 37 Cl.
Chlor eignet sich besonders gut als Oxidationsmittel
Vorkommen des Chlors
Chlor existiert in der Natur, da es ein sehr reaktionsfreudiges Element ist, nicht in elementarer Form, sondern kommt nur als Halogenid (z. B. in Salzen) vor.
Im Menschen kennt man folgende Chlorverbindungen: NaCl, KCl, MgCl2 , HCl im Magen
239
Hauptgruppen des PSE
Weitere Verwendung:
•
•
•
•
Bleichmittel (beispielsweise früher in der Papierindustrie).
Ausgangsstoﬀ für zahlreiche Chemikalien (z. B. PVC, Salzsäure)
Chlor wird als preiswertes Desinfektionsmittel für das Trinkwasser eingesetzt.
Chlorgas wurde im ersten Weltkrieg in Belgien als Kampfgas eingesetzt, mit vielen Toten
und zahlreichen, teilweise lebenslang, geschädigten Soldaten.
• Biologisch besitzt Chlor in Form von Chlorid als Bestandteil von Salzen eine große Bedeutung. Aufgenommen wird es vor allem über die Nahrung (z. B. in Form von Kochsalz
(Natriumchlorid) - täglich zwischen 3 -12 g Chlorid). Die Ausscheidung erfolgt über Niere
und Schweiß.
• Chlorid ist notwendig zur Produktion von Magensäure und zur Aufrechterhaltung der
Osmose im Organismus.
Zusatzinformationen:
w:Halogenide91 (w:Fluor92 , w:Chlor93 , w:Brom94 , w:Iod95 )
10.6.4 Brom [Br2 ]
Brom ist das einzige bei Raumtemperatur und Normaldruck ﬂüssige Nichtmetallelement. Es
ähnelt in vielen seiner Eigenschaften dem Chlor, nur ist es weniger reaktiv. Auf Grund seines
stechenden Geruchs schlug Joseph Louis Gay-Lussac den Namen Brom (von altgriechisch
brómos = Gestank) vor. Es ist äußerst giftig, seine Dämpfe sollten nicht eingeatmet werden,
die Flüssigkeit sollte nicht die Haut berühren.
• Brom kommt ebenso wie auch Chlor und Fluor in der Natur nur in Verbindungen vor.
(v. a. als Natriumbromid im Meerwasser).
• Die rotbraune Flüssigkeit bildet schon bei Raumtemperatur stark stechend riechende,
schwere Dämpfe, die noch giftiger sind als Chlor.
• Festes (gefrorenes) Brom ist dunkelbraun
• In Wasser löst es sich eher schlecht und reagiert dann noch durch Licht unter Sauerstoffentwicklung zu Bromid.
• Brom reagiert mit Wasserstoﬀ zu Bromwasserstoﬀ
• Mit vielen Metallen (z. B. Aluminium) reagiert es sehr exotherm unter Bildung des jeweiligen Bromides.
• Feuchtigkeit erhöht die Reaktivität des Broms stark.
• Brom stellt ein mittelstarkes Oxidationsmittel dar.
• Ist weniger reaktiv als Chlor, kann deshalb von Chlor aus seinen Verbindungen verdrängt
werden.
• Neben Hg das einzige bei Raumtemperatur ﬂüssige Element
91
92
93
94
95
240
http://de.wikipedia.org/wiki/Halogenide
http://de.wikipedia.org/wiki/Fluor
http://de.wikipedia.org/wiki/Chlor
http://de.wikipedia.org/wiki/Brom
http://de.wikipedia.org/wiki/Iod
Gemeinsame Eigenschaften der Elemente der 7. Hauptgruppe
Verwendung der Bromverbindungen
•
•
•
•
•
•
•
•
Flammschutzmittel für (Elektronik-)Platinen
Schädlingsbekämpfung
Anti-Wurmmittel
Desinfektionsmittel (ist milder als Chlor)
Silberbromid als Bestandteil des lichtempﬁndlichen Films bei analogen Kameras
Farbstoﬀe
Bromhaltiger Kautschuk zur Herstellung „luftdichter“ Reifen
Tränengas
10.6.5 Iod [I2 ] [veilchenfarben]
• Iod ist ein leicht grau metallisch glänzender Feststoﬀ, der schon bei geringer Erwärmung
violette Ioddämpfe bildet.
• I2 kommt nur als Iodid vor (und das auch nur in geringen Mengen)
• Iod sublimiert, d. h. wenn es schnell erhitzt wird, so geht es vom festen Zustand direkt in
den gasförmigen über. Der Grund hierfür ist, dass der Schmelzpunkt (114 °C) und der Siedepunkt (184 °C) dicht beieinander liegen und es sogar unterhalb der Schmelztemperatur
schon verdunstet!.
• Es wirkt desinﬁzierend
• Iod ist wenig reaktiv. Es reagiert mit einigen Metallen:
• Zn + I2 −→ ZnI2 + E
• Mg + I2 −→ MgI2 + E
• zu ﬁnden im Seetang, so dass schon vor 2000 Jahren Schilddrüsenkranken und an Kropf
Erkrankten Seetang als Medizin gegeben wurde.
• Verwendung von Silberiodiden und Silberbromid für analoge Filme
• Farbstoﬀe
• für Menschen ist Iodid ein lebensnotwendiges Spurenelement ⇒ deshalb essen wir Iodsalz!
• es kann Polyhalogenidverbindungen bilden. Dabei verbinden sich in Wasser gelöste I2 Moleküle mit einem Iodid-Anion zum einfach negativ geladenen I3- -Ion.
• wenn sich das I3- -Ion in Stärke (-Helices) einlagert, färbt es sich intensiv Blau - fast
schwarz. (=Iod-Stärke-Nachweis).
10.7 Gemeinsame Eigenschaften der Elemente der 7.
Hauptgruppe
• Alle Halogene sind Nichtmetalle bis auf das Halbmetall Iod und das Metall Astat
• Ihr Name leitet sich vom griechischen Halos (=Salz) ab und bedeutet „Salzbildner“
• Halogene kommen vor allem in Verbindungen mit Natrium in Form von Salzen vor. (z. B.:
NaF, NaCl, NaBr, NaI)
• große Ähnlichkeiten innerhalb der Gruppe
• allen fehlt ein Elektron zur Edelgaskonﬁguration
• Die Elektronegativität sinkt mit zunehmender Elektronenzahl: Cl2 > Br2 > I2 > At2
• Reaktivität bei Verbindung mit Metallen nimmt von F2 zum I2 ab.
241
Hauptgruppen des PSE
• Mit Silbernitrat können Chlorid, Bromid und Iodid nachgewiesen werden. Es entsteht
immer ein ﬂockiger Niederschlag von einem Silberhalogenid. AgCl ist weiß, AgBr ist
leicht weiß-gelblich und AgI ist satt gelb.
• sie reagieren gut mit Wasserstoﬀ und bilden dabei Halogenwasserstoﬀe, die in Wasser
gelöst zu Säuren werden (HF, HCl, HBr, HI)
• Sie bilden je Element (hier X für das jeweilige Element) vier Arten von Sauerstoﬀsäuren:
allg. Formel
HXO
HXO2
HXO3
HXO4
Hypohalogenige
Säure
Halogenige Säure
Halogensäure
Perhalogensäure
z.B. die Chlor-Sauerstoﬀsäuren
HClO
Hypochlorige Säure
HClO2
Chlorige Säure
HClO3
Chlorsäure
HClO4
Perchlorsäure
10.8 Edelgase
Die Elemente der 8. Hauptgruppe (Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon)
werden als Edelgase bezeichnet. Sie sind farb- und geruchlose Gase, die (fast) nicht reagieren.
Der Grund hierfür ist, dass sie voll besetzte Elektronenwolken besitzen.
Die Edelgase werden durch fraktionierte Destillation aus Luft dargestellt. Helium kann
außerdem aus Erdgas gewonnen werden, in dem es zu ca. 8% vorkommen kann96 . Bei der
Abkühlung auf –205 °C bleibt nur Helium gasförmig zurück.
10.8.1 Verwendung
• Edelgase werden für Leuchtreklamen verwendet, da sie in Gasentladungsröhren charakteristische Farben ausstrahlen:
Helium: weiß
Neon: rot
Argon: violett
Krypton: gelbgrün
Xenon: violett
Radon: weiß
• Beim Tauchen wird als Atemgas Helium und Sauerstoﬀ gemischt, da sich bei hohen Drücken weniger Helium im Blut löst als Stickstoﬀ und somit die Gefahr der Taucherkrankheit
vermindert wird.
• Argon wird als Inertgas beim Schutzgas-Schweißen verwendet.
• die Reaktionsträgheit der Edelgase wird in Glühbirnen eingesetzt, um eine Reaktion des
Wolframdrahtes mit z. B. Luftsauerstoﬀ zu verhindern. Im Vergleich zum Vakuum hat
96
242
einen hohen Heliumanteil im Erdgas können vor allem amerikanische Quellen vorweisen
Helium
•
•
•
•
•
ein durch Edelgas geschütztes System den Vorteil, dass der Wolframdraht auch bei großer
Hitze nicht gut verdampfen kann.
ähnliche Verwendung ﬁndet Helium als Schutzgas beim Schweißen
Helium wird außerdem bei der Befüllung von Ballons verwendet
Flüssiges Helium ist ein sehr gutes Kühlmittel, da es den tiefsten Siedepunkt aller Substanzen hat. (-268,93°C)97
Unter ganz bestimmten Bedingungen können sich Edelgase mit dem sehr reaktiven Fluor
vereinigen. Es gibt aber nur wenige Beispiele für diese exotischen Verbindungen: XeF6 ,
XeF4 , XeF2 , KrF2
nach dem Einatmen von Helium ändert sich die eigene Stimme zu einem hohen Piepsen
10.8.2 Zusatzinfos:
w:Helium98 , w:Neon99 , w:Argon100 , w:Krypton101 , w:Xenon102 , w:Radon103
10.9 Helium
nach w:Helium104
Helium (hélios = Sonne) ist das leichteste aller Edelgase. Das farblose, geruchs- und geschmackslose sowie ungiftige Gas ist reaktionsträge, geht also nur wenige bekannte chemische Reaktionen ein. Anwendung ﬁndet Helium zum Beispiel in ﬂüssiger Form als Kühlmittel, in gasförmigem Zustand vermag es als Traggas für Ballons und Luftschiﬀe zu dienen.
Helium ist nach Wasserstoﬀ das chemische Element mit der geringsten Dichte, d.h. es lässt
sich gut als Auftriebsgas für Balons benutzen. Außerdem besitzt es die niedrigsten Schmelzund Siedepunkte aller Elemente. Daher existiert es nur unter sehr starkem Druck oder in
großer Kälte als Flüssigkeit oder Feststoﬀ.
Helium ist ein Edelgas, das heißt, dass dieses Gas aufgrund seiner voll besetzten äußersten
Elektronenschale chemisch sehr reaktionsträge ist. Es ist jedoch möglich, unter extremen
Bedingungen eine chemische Verbindung von Helium mit einem Proton (HeH)+ zu erzeugen.
Diese Verbindung ist bei Normalbedingungen sehr instabil und kann nicht in Form eines
Salzes wie HeH+ X- isoliert werden.
Helium kann nur unter großem Druck und bei sehr niedrigen Temperaturen zu einem durchsichtigen Feststoﬀ verfestigt werden. Festes Helium benötigt eine Temperatur von 1 bis 1,5
K und ungefähr 26 bar an Druck. Festes Helium bildet kristalline Strukturen aus.
97
98
99
100
101
102
103
104
Die beiden Isotope des Helium unterscheiden sich in der Fähigkeit, andere Stoﬀe abzukühlen. Mit 4He
lassen sich durch Verdampfungskühlen Temperaturen bis etwa 1K erreichen. Das Isotop 3He erlaubt den
Einsatz als Kühlmittel bis etwa 1 mK!
http://de.wikipedia.org/wiki/Helium
http://de.wikipedia.org/wiki/Neon
http://de.wikipedia.org/wiki/Argon
http://de.wikipedia.org/wiki/Krypton
http://de.wikipedia.org/wiki/Xenon
http://de.wikipedia.org/wiki/Radon
http://de.wikipedia.org/wiki/Helium
243
Hauptgruppen des PSE
10.9.1 Verwendung:
Unter hohem Druck abgefülltes Helium ist frei verkäuﬂich und wird aus Erdgas gewonnen.
• Helium-Sauerstoﬀ-Gemische (80:20) dienen für Asthmatiker als Beatmungsgas - die Viskosität (=Flüssigkeitseigenschaften) des Gasgemisches ist wesentlich geringer als die von
Luft und es lässt sich daher leichter atmen.
• Beim Tauchen werden verschiedene Gemische mit Helium (z. B. aus Sauerstoﬀ, Stickstoﬀ
und Helium) als Atemgas verwendet.
• Da Helium nur ein Siebtel der Dichte von Luft hat, dient es auch als Traggas für Ballons
oder Luftschiﬀe.
• In der Schweißtechnik wird Helium in Reinform oder als Zumischung als Schutzgas eingesetzt, um die Schweißstelle vor Sauerstoﬀ zu schützen. Durch die hohe Hitze würde
Sauerstoﬀ sonst eine Schweißnaht leicht wieder oxidieren.
• Technisch wird verﬂüssigtes Helium als Kühlmittel zum Erreichen tiefer Temperaturen
(-272 bis -268 °C) eingesetzt
• Gerade beim Einsatz von supraleitenden Magneten dient Helium als Kühlmittel. Praktische Anwendungen sind hier die Kernspintomographie (MRT), die Magnetoenzephalographie (MEG) in der Medizintechnik sowie die Magnetresonanzspektroskopie (NMR) in
der Forschung.
• Helium wird in der Raketentechnik eingesetzt, um bei pumpgeförderten Flüssigtreibstoﬀraketen den verbrauchten Treibstoﬀ zu ersetzen, damit die dünnwandigen Treibstoﬀtanks
der Raketen nicht implodieren, wenn der Treibstoﬀ von den Treibstoﬀpumpen der Triebwerke aus den Tanks gesaugt wird.
• Helium wird in zwei Lasertypen eingesetzt: dem Helium-Neon-Laser und dem HeliumCadmium-Laser.
10.10 Tendenzen im PSE
Um schnell mal einen Überblick über die Elemente des PSE zu bekommen ist es gut, wenn
man ein paar tendenzielle Regeln über die Zusammenhänge kennt. Dein neues Wissen über
die Elementhauptgruppen kann Dir helfen, ein paar Regeln abzuleiten.
244
Tendenzen im PSE
Abb. 86
Erklärung was ist was im Periodensystem
10.10.1 Regeln:
• Die Protonenzahl nimmt innerhalb einer Periode zu.
• Alle Elemente der gleichen Hauptgruppe haben die gleiche Anzahl an Außenelektronen.
• Alle Außenelektronen der Elemente einer Periode beﬁnden sich in der gleichen Elektronenwolke, d. h. sie haben die gleiche Energiestufe.
• Der Atomradius nimmt innerhalb einer Periode immer ab, da die Anzahl an Protonen
zunimmt und diese somit stärker an den Elektronen ziehen.
• Innerhalb der Hauptgruppe nimmt der Atomradius zu, weil von Element zu Element
eine weitere Elektronenwolke vorliegt und somit sich die Elektronen immer weiter vom
Atomkern entfernen.
• Die Elektronegativität ist bei Fluor am größten. Sie ist deﬁniert mit dem Wert 4.
Vom Fluor nimmt sie nach „links“ in Richtung zu den Metallen und nach „unten“ hin ab.
Cäsium hat somit die geringste Elektronegativität.
• Der Metallcharakter beschreibt, wie metallisch ein Metall ist, also auch die Fähigkeit
der Metallatome Elektronen abzugeben. Cäsium ist das „metallischste“ Element. Der Metallcharakter nimmt also vom Cs zum Li und vom Li zum At ab. Mit anderen Worten
nimmt er innerhalb von Hauptgruppen zu und im Verlauf der Perioden ab.
• Die Anzahl an Protonen im Kern wird auch als Kernladung bezeichnet. Sie nimmt
innerhalb der Periode zu.
• Die Ionisierungsenergie ist die Energie, die man benötigt um einem Atom ein Elektron
zu entreißen. Sie ist stark von der Anziehungskraft zwischen Atomkern und dem zu entfernenden Elektron abhängig. Sie kann also durch die Coulomb-Formel berechnet werden:
+ −
FAnziehung = k r∗e
2
245
Hauptgruppen des PSE
Also steigt die Ionisierungsenergie innerhalb einer Periode an, weil die Kernladungszahl k+
zunimmt. Innerhalb einer Hauptgruppe sinkt die Ionisierungsenergie von oben nach unten
ab, weil der Abstand r zwischen Kern und Elektron immer größer wird. Beim Übergang von
einer Periode zur nächsten, z. B. vom Neon zum Natrium, nimmt die Ionisierungsenergie
stark ab, weil sich das zu entfernende Elektron in einer neuen, vom Atomkern entfernteren
Elektronenwolke beﬁndet.
10.10.2 Zusatzinformationen:
w:Coulombsches Gesetz105
10.11 Anordnung der Metalle und der Nichtmetalle im
heutigen PSE
10.11.1 Das Periodensystem der Elemente
Abb. 87
105
246
vereinfachtes PSE
http://de.wikipedia.org/wiki/Coulombsches%20Gesetz
Anordnung der Metalle und der Nichtmetalle im heutigen PSE
Das Periodensystem
Im PSE sind die Elemente nach steigender ................................ zeilenweise angeordnet. Elemente mit ähnlichen Eigenschaften stehen dabei untereinander. Das PSE ist aufgebaut aus
acht ........................................ und sieben ........................................ . Zwischen der zweiten
und der dritten Hauptgruppe beﬁnden sich die ................................ sowie die Actinoide
und die Lanthanoide.
Abb. 88
Elementargruppe im PSE
Elementgruppe
Entsprechend der Anzahl an .................................... unterscheidet man 8 Hauptgruppen.
Alle ........................... einer HG haben dabei die gleiche Anzahl an Außenelektronen. Dabei
zeigen die Elemente einer Gruppe oft abgestufte ............................. . Einige Hauptgruppen
tragen besondere Namen: 1. HG:Alkali-Metalle 2. HG …………………… 6. HG: Chalkogene
7. HG …………………… 8. HG ……………………
247
Hauptgruppen des PSE
Abb. 89
Elementarperiode im PSE
Elementperiode:
Eine Periode ist eine Zeile im Periodensystem. Alle Elemente einer Periode haben die gleiche
Anzahl an Elektronenwolken. Innerhalb der Elementperiode nimmt von Element zu Element
die ............................ und die ......................... um den Faktor .... zu. Die erste Periode,
enthält nur die zwei Elemente …………………… und …………………… .
Abb. 90
248
Halbmetalle im PSE
Anordnung der Metalle und der Nichtmetalle im heutigen PSE
Metalle:
Metalle zeichnen sich durch die Eigenschaften ..........................., .............................,
........................ und durch ............................... aus. Bei Metallen liegen positive
............................... mit frei beweglichen .................................. vor. Diese Anordnung bezeichnet man als ................................. .
Abb. 91
Nichtmetalle im PSE
Nichtmetalle:
Die Nichtmetalle zeigen keine metallischen ............................. Sie sind z.B. spröde und
leiten nicht den elektr. Strom (eine Ausnahme dazu ist ....................) Einige liegen als
mehratomige Moleküle vor (O2, N2, H2 sowie die Elemente der 7. HG: F2 , Cl2 , Br2 , I2
sowie O3 , P4 , S8 ).
249
Hauptgruppen des PSE
Abb. 92
Halbmetalle im PSE
Halbmetalle:
Halbmetalle stehen zwischen den ......................... und den ....................... . Dementsprechend zeigen sie Eigenschaften, die „dazwischen“ liegen, wie z.B. mittlere Leitfähigkeit. Bei
Normalbedingungen sind sie alle ................................ . Besondere Verwendung ﬁnden sie
in der Halbleiterindustrie als .......................... von Widerstände, Transistoren und Computerspeicher
Abb. 93
250
1.Hauptgruppe
Anordnung der Metalle und der Nichtmetalle im heutigen PSE
Die Alkalimetalle (1. Hauptgruppe)
Die Elemente der ersten HG (außer ...................... !) bezeichnet man als Alkalimetalle. Sie
besitzen nur ein ................................ . Sie zeichnen sich durch .......................................,
......................................, .................................. und ................................. aus
Abb. 94
2.Hauptgruppe
Die Erdalkalimetalle (2. Hauptgruppe)
Alle Elemente dieser HG haben 2 .......................... Einige Erdalkalimetalle sowie die Alkalimetalle zeigen charakteristische ...........................: Ca rot, Sr karminrot und Ba grün).
..... und ..... zeigen keine Flammenfärbung. Die ............................. der Erdalkalimetalle mit
Wasser nimmt innerhalb der HG zum ....................... hin zu. Es entstehen bei dieser Reaktion .............................. und Hydroxidlösungen.
251
Hauptgruppen des PSE
Abb. 95
7.Hauptgruppe
Die Halogene (7. Hauptgruppe)
Innerhalb der Gruppe nehmen Schmelz- und Siedepunkte zu. ⇒ Fluor und Chlor liegen
als ........................., Brom als ........................ und Iod liegt als .......................... vor. Mit
Metallen bilden sie ........................... . Deshalb werden sie auch als ..............................
bezeichnet.
Abb. 96
252
8.Hauptgruppe
Wiederholungsfragen Kapitel 9: Gruppen des PSE
Die Edelgase (8. Hauptgruppe)
Die Elemente der 8. HG ...................... nicht mit anderen Elementen - sie sind sehr reaktionsträge. Sie sind farb- und geruchlose, nicht brennbare und kaum wasserlösliche Gase. Sie
kommen nur .................... vor, da sie chemisch nahezu keine ................................ eingehen
können.
Man ﬁndet Edelgase in der ......................... zu einem geringen Anteil.
10.12 Wiederholungsfragen Kapitel 9: Gruppen des PSE
(Tipp: Wiederhole das Arbeitsblatt: „das Periodensystem der Elemente106 “)
1. Wo beﬁnden sich im PSE die Metalle bzw. die Nichtmetalle? Welches sind die
Nichtmetalle?
2. Welche Elemente gehören zu den I) Alkalimetallen, II) Erdalkalimetallen, VII)
Halogenen, VIII) Edelgasen?
3. Beschreibe die im UR durchgeführten Versuche mit Alkalimetallen. Erstelle dann eine
Reihenfolge ihrer Reaktivität. Wie würde es innerhalb der Hauptgruppe weitergehen?
4. Kannst Du mit eignen Worten erklären, warum die Reaktivität zunimmt?
5. Wie reagieren Erdalkalimetalle mit Wasser und mit Sauerstoﬀ?
6. Erstelle zu den ersten beiden Hauptgruppen jeweils eine Reaktionsgleichung für die
Reaktion mit Wasser bzw. mit Sauerstoﬀ!
7. Mit welchem Oberbegriﬀ kann man die Verbrennungsprodukte der Alkalimetalle und
der Erdalkalimetalle bezeichnen?
8. Warum verzögert sich der Reaktionsbeginn der Reaktion mit Wasser bei Calcium?
9. In welcher Form treten Verbindungen von Alkalimetallen und Erdalkalimetallen
in der Natur auf? Nenne zu jedem Element zwei Beispiele und markiere dabei für
menschliches Leben besonders wichtige!
10. Halogene werden auch als „Horrorkabinet“ des PSE bezeichnet. Kannst Du dir denken
warum?
11. Nenne Eigenschaften & Besonderheiten zu den ersten vier Halogenen!
106 Kapitel 8 auf Seite 183
253
Hauptgruppen des PSE
12. Wozu werden Halogene von Menschen verwendet? In welcher Form sind sie
lebenswichtig?
13. Erstelle eine Übersicht mit gemeinsamen Eigenschaften der 7. Hauptgruppe.
14. Als Nichtmetalle bilden Halogene nebn den Dir bereits bekannten auch sauerstoﬀhaltige Säuren. Ein typischer Vertreter ist die Chlorsäure (HClO3 ). Beschreibe seine
Herstellung aus den Elementen.
15. Erstelle eine Übersicht über Eigenschaften und Verwendung der Edelgase!
16. Beschreibe mit Deinen Worten die folgenden „Tendenzen“ im PSE: Protonenzahl,
Außenelektronen, Atomradius, Metallcharakter, Kernladung
17. Ist Natrium ein Metall? Welche typischen Metalleigenschaften erfüllt es, welche nicht?
18. Ein Stück Natrium wird auf Wasser gelegt. Beschreibe die Reaktion. Stelle die
Reaktionsgleichug auf. Liegt eine Redoxreaktion vor?
19. Ist die folgende Aussage richtig? „Die Alkalimetalle zeigen eine Abstufung der
Eigenschaften“. Gilt diese Aussage auch für die Halogene?
10.13 Hilfe zum Auswendiglernen
Eine mögliche Hilfe zum Auswendiglernen der Hauptgruppenelemente sind die folgenden
Sätze. Noch besser sind natürlich selbst gemachte Merksprüche.
10.13.1 Hauptgruppen
•
•
•
•
•
•
•
•
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Heiße Liebe Nachts Kann Räuber (beim) Cusehn Freuen.
Bei Maggie Cann Sir Baltimore Rackern.
Bauer Alex Gaﬀt Ins Tal.
Claus Sieht Gerne Seinen Pﬂaumenbaum.
N' PAsS(b)Bild (Ein Passbild genuschelt ausgesprochen).
Otto Sucht Seinen Teller Pommes.
Fluor, Chlor, Brom und Iod - Alle Mäuse Tot!
Hey, Neun Araber Kriegen Xen (10) Radieschen.
10.13.2 Perioden
• 2. LiBeBCNOFNe lässt sich aussprechen: LIebe BErta Bitte Comme Nicht Ohne Fahrrad,
NE?!
• 3. NaMgAlSiPSClAr auch ein interessantes Fantasiewort
254
11 Metalle und Redoxreaktionen &
Energiediagramm
11.1 Wiederholung aus der 8. Klasse - Beispiele für
Oxidationen
Rosten von Eisen
Sauerstoﬀ +Eisen → Energie+Eisenoxid
3 O2 +4 Fe → e- +2 Fe2 O3
Verbrennung von Kohlenstoﬀ
Sauerstoﬀ +Kohlenstoﬀ → Energie+ Kohlenstoﬀdioxid O2 +C → e- +CO2
Oxidation von Kupfer
Sauerstoﬀ +Kupfer → Energie+ Kupferoxid O2 +Cu → e- +CuO
Oxidation = Vereinigung mit Sauerstoﬀ
Sauerstoﬀ+Stoﬀ x → Energie+ Stoﬀ x-oxid
11.2 Die Reaktion von Kupferoxid mit Wasserstoﬀ - eine
Redoxreaktionen
Seit ca. 2 Milliarden Jahren gibt es Sauerstoﬀ auf unserem Planeten. Metalle sind seit
der Entstehung unseres Planeten vorhanden. Da fragt man sich natürlich, in welcher Form
eigentlich so wichtige Metalle wie Eisen oder Kupfer vorliegen? Durch Jahrmillionen des
Kontaktes mit Sauerstoﬀ liegen sie natürlich in oxidierter Form vor. Die Oxide sind in der
Regel für die Menschen nicht zu gebrauchen gewesen, da sie oft Verunreinigt und noch
dazu Spröde sind. Die Menschen zogen Waﬀen und Gegenstände aus Stein vor. Demzufolge
nannte man diese Periode der Geschichte auch Steinzeit.
Aber 3000 Jahre v.Chr. änderte sich das plötzlich. Die Waﬀen der sich bis dahin mit Faustkeilen bewaﬀneten Steinzeitmenschen hatten sich verändert. Ab der Bronzezeit vor ca. 5000
Jahren hat der Mensch Metallwerkzeuge hergestellt. Was muss passiert sein? Die Menschheit
hatte eine ihrer wichtigsten Erﬁndungen gemacht - sie konnte aus Kupferoxid das Metall
Kupfer herstellen und dieses weiter zu Bronze verarbeiten. Bronze war dem Stein natürlich
überlegen, da sie formbar war.
Also welche Leistung hat der Mensch am Übergang von der Stein- zur Bronzezeit vollbracht?
255
Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm
⇒ Oxidation muss umgekehrt worden sein
Was ist also das Ziel aus chemischer Sicht? (Wenn eine Oxidation die Vereinigung mit
Sauerstoﬀ ist...)
⇒ Die Abgabe/ Entzug von Sauerstoﬀ aus dem Metalloxid (=Reduktion)
11.3 2. Reaktion von Kupferoxid mit Wasserstoﬀ
Versuchsbeschreibung
(Schwarzes) Kupferoxidpulver wird im Wasserstoﬀstrom erhitzt.1
Abb. 97
Versuchsaufbau Reaktion von Kupfer und Wasserstoﬀ
Beobachtung
Flamme wird kleiner, rötliches Produkt, Kondenswasser im Glasrohr, exotherme Reaktion
Schlussfolgerung
Was ist mit dem Kupferoxid geschehen? Es hat seinen Sauerstoﬀ abgegeben!
1
256
Sicherheitsvorschriften beachten - Knallgasprobe mehrfach durchführen und S. erklären
Redoxreaktionen
Abb. 98
Redoxreaktion von Kupfer und Wasserstoﬀ
Deﬁnition
Die Abgabe (bzw. den Entzug) von Sauerstoﬀ nennt man Reduktion. Die Reduktion ist
der gegenläuﬁge Prozess zur Oxidation.
Deﬁnition
Wasserstoﬀ ermöglicht diese Reduktion, indem es den Sauerstoﬀ aufnimmt. Wasserstoﬀ
ist somit ein „Reduktionsmittel“. Das Reduktionsmittel wird immer selbst oxidiert.
11.4 Redoxreaktionen
Einem 8. Klässler, wäre allerdings am Ende der 8. Klasse noch etwas anderes aufgefallen…
Fällt Dir nichts auf? Na klar, es ﬁndet doch auch eine Oxidation statt. Wasserstoﬀ vereinigt
sich schließlich mit Sauerstoﬀ ⇒ es liegt beides vor.
Das führt zu folgendem Rätsel: Muss immer beides vorliegen? Ist dies nun ein Sonderfall,
oder gar ein Irrtum?
Diese Frage zu beantworten ist recht einfach, wenn Du Dir einen Vergleich vorstellst: Du
bekommst Taschengeld von Deinen Eltern. Zum Austausch eines Geldscheins gehören immer
zwei Leute. Einer der den Schein aufnimmt und einer, der ihn abgibt, oder? Es ist nicht nur
etwas Dir passiert, sondern auch mit dem der Dir Taschengeld gibt. Du wirst reicher, die
andere Person ärmer.
⇒
Deﬁnition
257
Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm
Wie kann man nun eine Redoxreaktion erkennen?
⇒
Deﬁnition
11.5 Historische Herstellung von Kupfer aus Kupferoxid
Menschen in der Bronzezeit hatten keinen Wasserstoﬀ als Red-Mittel2 , sondern sie verwendeten ein anderes vorhandenes Reduktionsmittel. Nur welches Element vereinigt sich leicht
mit Sauerstoﬀ und reagiert dabei am besten zu einem Gas (damit keine Verunreinigungen
entstehen)?
Die Menschen nahmen damals Kohlenstoﬀ. Man hat ihn damals noch überirdisch gefunden
und musste nicht tief graben.
Abb. 99
Versuchsaufbau der Historischen Kupferoxidherstellung
Versuchsbeschreibung
In einer Verbrennungsschale wird Kohlenstoﬀ (fein) verteilt und eine Mulde gebildet. Hinein
wird schwarzes Kupfer(II)-oxid gefüllt. Alles wird leicht mit C bedeckt. Mit einem feinen
Stab (z.B. Schaschlikstab) werden wenige Löcher hineingestochert! 10-15 min bei geschlossenem Deckel erhitzen! Dann alles in ein Becherglas mit Wasser kippen, damit es sauber
wird.
Beobachtung
Exotherme Reaktion, rötliches Produkt am Boden, Eine anschließende Untersuchung des
entstehenden Gases mit Kalkwasser zeigt eine Trübung des Kalkwassers.
2
258
Es wurde Malachit verwendet (Cu2 (OH)2 CO3 ), welches beim Erhitzen in Kupferoxid überging
Informationen zur Bronzezeit
Schlussfolgerung
Abb. 100
Redoxreaktion von CuO + H2 zu Cu + H2O
ΔH < 0 (Energieabgabe in Form von Wärme)
⇒es liegt eine Redoxreaktion vor, da Sauerstoﬀ zwischen Kupfer und Kohlenstoﬀ ausgetauscht wird. Kohlenstoﬀdioxid kann man in einem Bestätigungsexperiment durch den
Kalkwassertest nachweisen.
11.5.1 Aufgaben:
1. Formuliert mal eine Reaktionsgleichung, die kennzeichnend für die Eisenzeit ist.
2. Welche Gefahr besteht beim Erhitzen des Glasrohrs, wenn es mit Wasserstoﬀ durchﬂutet wird?
11.6 Informationen zur Bronzezeit
In dieser Periode begannen die Menschen erste Werkzeuge aus Bronze herzustellen. Dazu
war Kupfer notwendig, welches sie aus Kupferoxid gewonnen hatten. Der Beginn dieses
wichtigen Zeitabschnittes war ab ca. 3000 Jahre v. Chr.
Bronze war das wichtigste Rohmaterial v. a. für Schmuckgegenstände und Waﬀen. Für
die Herstellung der Bronze brauchte man Kupfer (Bronze = 60% Kupfer plus Zinn und
manchmal etwas Zink). Ein solches Gemisch von Metallen nennt man Legierung.
Das Wort Kupfer kommt übrigens vom Wort Cypern, da wahrscheinlich dort, die erste
europäische Produktion begann. Viele Jahrtausende vorher konnten allerdings schon die
Chinesen Bronze herstellen. Weitere frühe Funde stammen aus Anatolien und Ägypten.
259
Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm
Dort wurde Kupfererz wurde schon vor 6000 v. Chr. verhüttet. In Mitteleuropa ist die
Verarbeitung von Kupfererz seit etwa 3000 v. Chr. bekannt.
260
Eisen, das wichtigste Metall
frühe Bronzezeit
mittlere Bronzezeit
späte Bronzezeit
(Anfang 17.Jh.-16. Jh. v. Chr.)
(15. bis 13.Jh. v. Chr.)
(12.-9.Jh. v. Chr.)
Abgelöst wurde die Bronzezeit durch die Eisenzeit, in der Bronze zwar weiterhin für Kultund Alltagsgegenstände verwendet, in der Technik und Waﬀenherstellung aber vom Eisen
verdrängt wurde.
Die Erﬁndung der Bronze führte auch zu Fortschritten in Handel und Seefahrt. Schließlich
mussten auch die Rohstoﬀe transportiert werden. Es bildeten sich in dieser Periode wichtige Städte, an Flüssen und am Meer entstanden viele neue Häfen. Dies führte zu einer
Entwicklung der Kulturen im größten Teil Europas, in Teilen Nordafrikas und in vielen
Teilen Asiens.
Heute weiß man darüber einiges, da man viele historische Funde untersucht und genau
datiert hat. Zu den Funden gehören Schmuckstücke (Armringe, Ketten, Schnallen, Nadeln)
und Waﬀen (Messer, Dolche, Äxte, Pfeilspitzen, Schwerter).
11.6.1 Zusatzinformationen:
w:Bronzezeit3
11.6.2 Aufgaben:
Vervollständige die folgenden Reaktionsgleichungen, kennzeichne Oxidation und Reduktion:
Mg
Pb
Mg
H2
CuO
CuO
+
+
+
+
+
+
H2 O
C
CO2
O2
Zn
Mg
−→
−→
−→
−→
−→
−→
?
?
?
?
?
?
+
+
+
+
+
+
?
?
?
?
?
?
11.7 Eisen, das wichtigste Metall
• Eisen kommt nicht elementar (gediegen) vor, sondern nur vereinigt als Erz (z.B. mit
Sauerstoﬀ).
• Eisen ist zusammen mit Nickel vermutlich der Hauptbestandteil des Erdkerns.
• Mit einem Anteil von fünf Prozent ist Eisen aber auch eines der häuﬁgsten Elemente der
Erdkruste.
• Eisen ist das zehnthäuﬁgste Element im Universum.
3
http://de.wikipedia.org/wiki/Bronzezeit
261
Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm
• Eisenerz wird im Tagebau (Brasilien, Australien, China u.a.) und Untertagebau (Deutschland, Frankreich u.a.) gewonnen.
• Eisen ist mit 95% das weltweit am häuﬁgsten genutzte Metall.
• Wenn Eisen oxidiert, bildet es keine feste Schutzschicht. Der dabei entstehende Rost
zerstört Eisen vollständig.
• Stähle sind Legierungen des Eisens mit 0,002 % bis 2,06 % Kohlenstoﬀ (und anderen
Metallen).
• Eisen ist eines von drei ferromagnetischen Metallen (Kobalt und Nickel sind die übrigen).
• Obwohl Eisen ein wichtiges Spurenelement für den Menschen ist, kann zu viel Eisen im
Körper giftig sein.
In der Natur kommt Eisen (fast) nie gediegen (d.h. als Element) vor. Bekannte Eisenverbindungen sind:
• Fe2 O3 sowie FeO (Eisenoxid)
• Fe3 C (Eisencarbid)
• Fe(CO)5 (Eisencarbonyl) sowie Fe2 (CO)9
• Fe(SCN)3 (Eisen(III)-thiocyanat, Eisenrhodanid)
11.7.1 Zusatzinformationen:
w:Eisen4
11.7.2 Die Eisenzeit
In Mitteleuropa beginnt die Eisenzeit etwa ab dem 8. Jahrhundert v. Chr. Sie begann
aber schon vorher in Anatolien ca. 1200 v. Chr. Diese Methode verbreitete sich von dort
nach Indien, China und den Mittelmeerraum. Über Italien gelangte das Wissen dann nach
Nordeuropa. Die Eisenzeit ist nach der Steinzeit und der Bronzezeit die dritte Periode der
Menschheitsgeschichte. In Europa und dem Mittelmeerraum folgte darauf die Antike oder
die Völkerwanderungszeit.
In dieser Zeit entdeckten die Menschen einen Weg, nun auch Eisenoxid zu reduzieren, um
daraus Eisen für Werkzeuge und Waﬀen herzustellen.
11.7.3 Die Thermitreaktion
w:Thermit5
4
5
262
http://de.wikipedia.org/wiki/Eisen
http://de.wikipedia.org/wiki/Thermit
Eisen, das wichtigste Metall
Abb. 101
Thermitreaktion im Blumentopf bei Nacht
Material: Blumentopf, Alufolie, Magnesiumpulver, Magnesiumband (oder eine Wunderkerze), Aluminiumpulver, Aluminiumgrieß, rotes Eisenoxid.
Diese Reaktion dient dazu, Eisen aus dem Oxid herzustellen. Der Reaktionspartner ist dabei
das unedlere Aluminium. Diese Reaktion ist stark exotherm - man muss also mit höchster
Vorsicht arbeiten und dringend eine feuerfeste Unterlage benutzen. Es kann passieren, dass
mehrere tausend °C heißes Metall herumspritzt, daher Schutzbrille aufsetzen und Sicherheitsabstand einhalten!
Versuchsbeschreibung
Mischen von 15 g getrocknetem Fe2 O3 und 5 g Al-Grieß (oder Pulver), ebenfalls trocken.
263
Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm
Das Gemisch gibt man in einen Blumentopf, in welchem eine Toilettenpapierrolle steht. Der
Rand wird mit Sand gefüllt. Auf das Gemisch gibt man etwas Magnesiumpulver und zündet
alles mit einem Magnesiumband oder einer geeigneten Wunderkerze.
Abb. 102
Blumentopfversuch
Beobachtung
heftige Reaktion mit heller Flamme, Funken, sehr heißes, rot glühendes, ﬂüssiges Produkt,
welches magnetisch ist.
Schlussfolgerung
Bei der Reaktion von Eisenoxid mit Aluminium entsteht Eisen. Dabei werden sehr große
Energiemengen frei. Diese Reaktion wird z. B. zum Schweißen von Eisenbahnschienen verwendet.
F e2 O3 + 2 Al −→ Al2 O3 + 2 F e + E
11.8 Der Hochofen
Bei der Thermitreaktion entsteht stark verunreinigtes Eisen. Es ist durchzogen mit Resten
von Aluminiumoxid. Außerdem wäre Aluminium ein sehr teurer Reaktionspartner, um Eisen herzustellen. Großtechnisch gibt deshalb einen anderen (besseren & preiswerteren) Weg,
264
Die Vorgänge im Hochofen
große Eisenmengen herzustellen. Die dazu notwendige Industrieanlage nennt sich „Hochofen“.
Betrachtet man mal ein Bild einer Eisenhütte mit Hochofenanlage, ist man über die Größenverhältnisse erstaunt. Ein kleiner Fleck auf dem Bild könnte ein Schiﬀ sein, welches gerade
voll beladen ist mit dem Ausgangsstoﬀ Eisenoxid.
Mögliche Eisenerze als Ausgangsstoﬀe:
Formelzeichen
FeO
Fe2 O3
Fe3 O4
FeCO3
FeS2
Name
Eisenoxid, auch Magnetkies genannt
Hämatit (=Roteisenstein)
Magnetit
Siderit (=Eisenspat oder auch Spateisenstein genannt)
Pyrit (Eisenkies bzw. Katzengold genannt))
Wozu ist eine so große Anlage notwendig? brauchen wir alle denn soviel Eisen? Ja, man
kann leicht den Jahresverbrauch eines Landes durch die Anzahl der Einwohner teilen und
stellt fest, dass jeder Mensch in Deutschland pro Jahr mehr als 100 kg Eisen „benötigt“.
Dies wird natürlich nicht nur für Dinge des Haushalts verwendet, sondern auch für Autos,
Brücken, Autobahnleitplanken usw.
Im Hochofen entsteht Roheisen. Der Reaktionspartner des Eisenoxid ist hierbei Koks (ausgeglühte Steinkohle). Als Konsequenz enthält das entstehende Roheisen 4-5 Prozent Kohlenstoﬀ als Verunreinigung und ist dadurch recht spröde. Will man eine bessere Qualität
erreichen, muss man das Roheisen veredeln.
Gusseisen enthält 2 - 6,5% Kohlenstoﬀ und weitere Legierungselemente, wie beispielsweise
Silizium und Mangan. In Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit liegt der Kohlenstoﬀ
im Gusseisen als Karbid oder elementar als Graphit vor. Gusseisen ist sehr hart und spröde.
Es lässt sich gewöhnlich nicht verformen. Es wird z. B. verwendet für Gullydeckel.
Durch das Windfrischen, einen Vorgang zur Veredlung mit Sauerstoﬀ, der in den heißen
Stahl geblasen wird, entsteht Stahl, der zwischen 0,1% und 2,1% Kohlenstoﬀ enthält. Im
Gegensatz zu Gusseisen ist er verformbar. Durch Legieren, v. a. mit Nickel, kann er härter
und rostfrei gemacht werden.
11.9 Die Vorgänge im Hochofen
nach w:Hochofen6
Ein Hochofen ist eine Anlage in Schachtofenbauweise, in der Eisen durch Reduktion von
Eisenoxid gewonnen wird. Er ist meist zwischen 25-30 m hoch, die Gesamtanlage kann bis
zu 60 m hoch sein.
6
http://de.wikipedia.org/wiki/Hochofen
265
Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm
Der Hochofen wird schichtweise mit zwei wesentlichen Rohstoﬀen von oben gefüllt: dem so
genannten Möller (=als Träger des Eisenoxids und mit Zuschlagstoﬀen wie Kalk und Kies),
und dem Hochofenkoks als Energieträger und Reduktionsmittel. Die Rohstoﬀe werden mit
Förderkübeln über einen Schrägaufzug zur Einfüllöﬀnung oben am Hochofen befördert und
entleert.
Am Fuß des Hochofens oxidiert das aus Koks und Sauerstoﬀ aus der Luft gebildete Kohlenstoﬀmonoxid zu Kohlenstoﬀdioxid, der dazu notwendige Sauerstoﬀ wird dem Eisenoxid
entzogen, das dadurch zu Eisen reduziert wird.
C
+
O2 −→ CO2
Verbrennung des Koks, liefert Verbrennungsenergie
CO2
+C
−→ 2 CO
Erzeugung des Reduktionsmittels Kohlenstoﬀmonooxid
F e2 O3 + 3CO −→ 3 CO2 + 2F e
Reduktion des Eisenoxids zu elementarem Eisen
Der verﬂüssigte Hochofeninhalt wird unten am Ofen durch eine Öﬀnung entnommen. Diese
Öﬀnung ist normalerweise verschlossen und wird periodisch beim so genannten Abstich angebohrt. Der ausﬂießende Inhalt wird in der an den Ofen angrenzenden Abstichhalle über
ein Rinnensystem im Boden geleitet. Die meisten Hochöfen besitzen zwei Abstichvorrichtungen: Eine für die Schlacke und eine etwas tieferliegende für das ﬂüssige Eisen. Hier trennt
die Dichte die beiden Stoﬀe.
Die im Hochofenprozess entstehende Schlacke ist ein wertvoller Rohstoﬀ: sie kann nach
Aufmahlen in einer Schlackenmahlanlage als Hüttenzement vielfältig eingesetzt werden.
Die Außenwand des Hochofens wird über eine Wasserkühlung permanent gekühlt. Dennoch
herrschen in der Anlage Temperaturen von über 50°C. Ein Arbeiter kann sich trotz gekühlter
Schutzanzüge nur wenige Minuten in der Nähe des Hochofens aufhalten.
Mittlere Hochöfen erreichen Tagesleistungen von bis zu 6.000 t, große Hochöfen von bis zu
13.000 t Roheisen.
Hochöfen sind mindestens rund 10 Jahre ununterbrochen in Betrieb. Nach dem Ende dieser
so genannten Ofenreise muss der eigentliche Hochofen umfangreich überarbeitet und die
Außenhaut ersetzt werden
Im Labor kann man den Hochofenversuch simulieren:
Versuchsbeschreibung
In ein Glasrohr werden Eisenoxid (pulvriges Eisen) und gekörnte Aktivkohle gefüllt. Das
Rohr wird von außen erhitzt und mit einem Fön durchgepustet.
Beobachtung
Aufglühen, das rote Eisenoxid wird dunkel
Schlussfolgerung
Die Kohle verbrennt unvollständig. Es entsteht das giftige Gas Kohlenmonoxid. Das Eisenoxid reagiert mit dem Kohlenmonoxid zu Eisen.
266
Die Vorgänge im Hochofen
Zusammenfassende Reaktion: F e2 O3 + 3 CO −→ 2 F e + 3 CO2 + E
11.9.1 Aufgaben:
1. Warum werden die Außenwände gekühlt?
2. Warum wird der Hochofen nicht Nachts abgeschaltet?
3. Der Hochofen hat eine nach oben auslaufende Form. Warum?
267
Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm
11.10 Der Hochofenprozess
11.10.1 Der Aufbau und die Temperaturzonen im Hochofen
Abb. 103
Chemischer Hochofenprozess
Ein Hochofen ist eine bis zu 40m hohe Industrieanlage, in der Eisen aus Eisenoxid gewonnen wird. Er wird von oben mit Förderbändern oder mit so genannten „Hunten“, das sind
Metallwagen auf Schienen, gefüllt. Dazu wird ein Gemisch aus Eisenoxid und Koks (das
Reduktionsmittel) und Kalk zur Auﬂockerung gebildet. Dieses Gemisch wird auch Möller
genannt.
268
Der Hochofenprozess
In oberen kälteren Regionen reagiert Fe2 O3 in geringer Hitze zu dem Zwischenprodukt
Fe3 O4 , welches aufgrund seiner höheren Dichte weiter absinkt. Weiter unten ist es durch
die ablaufenden Redoxreaktionen und durch zugeführte heiße Luft viel heißer. Hier ﬁndet
die Umwandlung von Fe3 O4 zu einem weiteren Zwischenprodukt satt (FeO). Dies hat eine
noch höhere Dichte und es sinkt noch weiter ab. Im heißesten Bereich ﬁnden dann die
Hauptreaktion statt, bei der aus Kohlenmonoxid und Eisenoxid dann Kohlenstoﬀdioxid und
Roheisen entstehen. Aufgrund seiner hohen Dichte sammelt sich das Roheisen am Boden des
Hochofens (darauf schwimmt nur noch die Schlacke aus Kalk und Erzresten, welche alle eine
geringere Dichte als Roheisen haben). Das Roheisen wird dann durch eine Keramiköﬀnung
regelmäßig entnommen. Man lässt es über Rinnen im Boden der Abstichhalle ﬂießen.
Die als Abfallprodukt entstehende Schlacke ist ein wichtiger und auch wertvoller Rohstoﬀ.
Sie dient beispielsweise als Hüttenzement.
11.10.2 Genaue chemische Reaktionen im Hochofen
1) C + O2 −→ CO2
Energie liefernde Verbrennung des Kokses.
2) CO2 + C ⇌ 2 CO
Erzeugung des gasförmigen Reduktionsmittels Kohlenstoﬀmonoxid.
3) Fe2 O3 + 3 CO −→ 3 CO2 + 2 Fe
Reduktion des Eisenoxids zu elementarem Eisen.
3a) 3 Fe2 O3 + CO −→ 2 Fe3 O4 + CO2
Es entsteht der stärker eisenhaltige Magnetit (Magneteisenstein).
3b) Fe3 O4 + CO −→ 3 FeO + CO2
Es entsteht Eisen(II)-oxid.
3c) FeO + CO −→ Fe + CO2
Es entsteht metallisches Eisen, das sich unten im Hochofen ansammelt.
4) 2 FeO + FeSi −→ 3 Fe + SiO2
Eisenoxid und siliziumhaltiges Roheisen reagieren zu Eisen (Stahl) und Siliziumdioxid.
11.10.3 Zusatzinformationen
w:Hochofen7 , w:Gichtgas
7
8
8
http://de.wikipedia.org/wiki/Hochofen
http://de.wikipedia.org/wiki/Gichtgas%20
269
Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm
11.11 Veredelung des Roheisens
11.11.1 „Windfrischen“
Roheisen aus dem Hochofen ist verunreinigt und besitzt einen viel zu hohen Kohlenstoﬀgehalt. In ﬂüssiges (kohlenstoﬀhaltiges) Roheisen wird bei hohen Temperaturen Sauerstoﬀ
geblasen. Das Eisen wird wegen der hohen Temperatur nicht oxidiert, aber der Kohlenstoﬀ
vereinigt sich umgehend. Es entsteht das Gas Kohlenstoﬀdioxid, welches den Reaktionsraum
verlässt. Das Roheisen wird nun Stahl genannt und enthält nun deutlich weniger Kohlenstoﬀ
und ist damit qualitativ wesentlich hochwertiger.
Durch weitere Zusätze, wie z. B. Chrom oder Nickel kann der Stahl weiter veredelt werden.
Cr / Ni - Stahl („Nirosta“)
11.12 Energiebeteiligung bei chemischen Reaktionen
Tipp: Flipchartähnliche Pappen bauen und mit Magneten von Schülern in Diagramme setzen lassen
Versuchsbeschreibung
Abb. 104
Magnetversuch
Beobachtung
• selbstständiges, heftiges Durchglühen
• Rauchbildung
270
Energiebeteiligung bei chemischen Reaktionen
• weißlicher Feststoﬀ
Schlussfolgerung
Zink vereinigt sich mit Schwefel zu Zinksulﬁd unter Energiefreisetzung.
0
0
Zn
+
S
+II-II
−→
ZnS + E
11.12.1 Energiediagramm (exotherme Reaktion)
Abb. 105
Energiediagramm einer exothremen Reaktion
Deﬁnition
271
Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm
11.12.2 Energiediagramm (endotherme Reaktion)
Abb. 106
Energiediagramm einer endothremen Reaktion
exotherme Reaktionen
Verbrennungen (Kohle, Magnesium usw.)
Entzündung von Schwefel-Eisen-Gemisch
Neutralisation
Magnesium mit Salzsäure
dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler: Vorlage: Merksatz
Deﬁnition
272
endotherme
Reaktionen
Erhitzen von
Kaliumnitrat
und Calium
Zersetzung
von
Quecksilberoxid
Zersetzung
von
Wasser
Der Katalysator
11.13 Der Katalysator
Versuchsbeschreibung
Verbrennung von Zuckern mit und ohne Braunstein (Asche)
V
B
Ent- Karamellisation
zünden
von
Zucker
Ent- Zucker brennt
zünden
von
ZuckerBraunstein
Gemisch
S
⇒ Änderung des Aggregatzustandes
Zucker brennt Aufstellen der Gleichung mit
Oxidationszahlen.
273
6CO2
+I -II
0
6O2
C6 H12 O6
+
0 +I -II
−→
IV-II
+
6H2 O
+
E
Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm
274
Übung: Reduktions- und Oxidationsvermögen von Metallen I
Deﬁnition
Ein Katalysator ist ein Stoﬀ, der die Aktivierungsenergie einer Reaktion herabsetzt (er
hilft sozusagen über den Energieberg). Er nimmt an der Reaktion teil, geht aber am
Ende unverändert aus ihr hervor (er nimmt dann von neuem an der Reaktion teil).
Die Reaktionsenergie wird nicht verändert. Dadurch wird die Reaktionsgeschwindigkeit
erhöht.
11.13.1 Aufgaben:
Entscheide bei folgenden Reaktionen, ob es sich um einen exo- oder endothermen Vorgang
handelt!
1. Beim Entladungsvorgang einer Autobatterie werden Bleiverbindungen verändert,
und elektrische Energie wird abgegeben.
2. Holz wird zum Heizen von Häusern verwendet.
3. Der Mensch und viele Wirbeltiere sind gleichwarm: Die Körpertemperatur bleibt aufgrund der chemischen Umsetzung von Nährstoﬀen und Sauerstoﬀ bei der Atmung
konstant.
4. Die Explosionen in Verbrennungsmotoren werden in mechanische Energie umgewandelt.
5. Bauxit enthält einen großen Prozentsatz an Aluminiumoxid. Die Gewinnung von
Aluminium wird stets dort durchgeführt, wo billige elektrische Energie zur Verfügung
steht.
6. Quecksilberoxid lässt sich durch Erhitzen in Quecksilber und Sauerstoﬀ zerlegen.
(Zersetzung)
7. Pﬂanzen speichern bei der Photosynthese Sonnenenergie in chemischer Form in
energiereichen Verbindungen (Traubenzucker, Sauerstoﬀ).
8. Eine starke Säure einer Autobatterie wird zum Entsorgen neutralisiert
11.14 Übung: Reduktions- und Oxidationsvermögen von
Metallen I
Material: je Gruppe: Bunsenbrenner, Reagenzglasklammer, 2 Reagenzgläser,
Führe diese Versuche nicht außerhalb des Chemieunterrichts durch! Sie sind sehr
gefährlich und unberechenbar!
Kann man eigentlich durch das pure stattﬁnden von Reaktionen beurteilen, ob ein Metall
edler oder unedler als ein anderes ist? Führe dazu die folgenden beiden Versuche durch und
entscheide, welches der beiden Elemente edler ist.
V
B
S
275
Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm
Mische • Das Gemisch glüht nach dem Re1,6
aktionsstart selbständig durch,
g
• Farbänderung des Reaktionsgemischwar- sches von schwarz zu rot,
zes
• Magnettest negativ
CuOPulver
und
0,8
g
FePulver.Erhitze
das
Gemisch
im
Reagenzglas
bis
zum
ersten
Aufglühen
und
entferne
das
Reagenzglas
sofort
aus
der
Brennerﬂamme!
SCHUTZBRIL276LE
Kupfer
Abb. 107 Redoxreaktion
ist edler als Eisen und deshalb gibt
Kupferoxid leicht seinen Sauerstoﬀ
ab
⇒ Kupferoxid ist ein gutes Oxidationsmittel
Übung: Reduktions- und Oxidationsvermögen von Metallen I
Er(keine Reaktion)
hitzen
von
Cu
mit
Fe2 O3
(Durchführung
wie
oben)
(In
welchem
Verhältnis
müssen
die
Chemikalien
abgewogen
werden?
)
Oxidationsmittel:
Reduktionsmittel:
Da Kupfer edel ist, wird es nicht
so leicht oxidiert - schon gar nicht
von einem Oxid eines unedleren Elements!
CuO
Fe
(wird bei Redoxreaktion reduziert)
(wird bei Redoxreaktion oxidiert)
Deﬁnition
277
Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm
Abb. 108
Verhalten von Metallen bei der Redoxreaktion
11.15 Reduktions- / Oxidationsvermögen einiger Metalle
und Nichtmetalle II
Problemstellung: Kann man weitere Metalle/ Metalloxide in diese Reihe von edeln und
unedlen Metallen einordnen (und wie geht man experimentell am einfachsten vor?)
Führe diese Versuche niemals selbst durch!
Sie sind sehr gefährlich und unberechenbar!
V
ZnO
+
Cu
278
B
keine Reaktion
S
Kupfer ist edler als Zn. Aus diesem
Grund kann Kupfer nicht das Zinkoxid reduzieren.
Reduktions- / Oxidationsvermögen einiger Metalle und Nichtmetalle II
CuO heftige Reaktion, Kupferbildung,
+
Funken
Zn
(2g
CuO/
1,6g
Zn
in
Reagenzglas
erhitzen)
CuO sehr heftige Reaktion
+
Mg
(nie
selbst
durchführen!
Lehrerversuch,
hochgefährlich!)
Fe2 O3 sehr heftige Reaktion
+
Mg
(genau
so
heftig)
Das unedle Zn entreißt dem Kupfer den
Sauerstoﬀ
Abb. 109
und Zn
Redoxreaktion von CuO
Mg ist sehr unedel und entreißt dem CuO augenblicklich den
Sauerstoﬀ!
Abb. 110
und Mg
Redoxreaktion von CuO
Abb. 111 Redoxreaktion von
Fe2 O3 und Mg
279
Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm
MgO sehr heftige Reaktion
mit
Zn
(genau
so
heftig)
Abb. 113
Abb. 112
und Zn
Redoxreaktion von MgO
Verhalten von Metallen bei der Redoxreaktion
11.16 Wiederholungsfragen für Zuhause & das
Schwimmbad
11.16.1 Verschwenderisch leichte Wiederholungsfragen (Klasse 8 und
Klasse 9)
1. Wiederhole die Elementsymbole. Erstelle dann eine Übersicht über alle Elemente, die
auf „-stoﬀ“ enden.
2. Beschreibe, was man erhält, wenn man Säure und Lauge gleicher Konzentration
mischt. Wie nennt man diese Reaktion? Was ist bei deren Durchführung zu beachten?
3. Nenne 6 Säuren und 3 Laugen mit Formel!
4. Was sagt der Massenerhaltungssatz aus? Was sagt der Energieerhaltungssatz aus?
5. Stelle die Reaktionsgleichung der Bildung folgender Stoﬀe auf: Fe2 O3 ; Schwefeldioxid
; Schwefeltrioxid ; P4 O10 . Welcher Stoﬀ entsteht, wenn man Phosphoroxid und Wasser
mischt?
6. Welcher Stoﬀ entsteht, wenn man Kohlenstoﬀdioxid und Wasser mischt?
7. Stickstoﬀdioxid reagiert mit Wasser zu Salpetersäure und Salpetriger Säure. Erstelle
die Reaktionsgleichung.
280
Wiederholungsfragen für Zuhause & das Schwimmbad
8. Wenn Du unsicher mit Reaktionsgleichungen bist, löse noch einmal einige Gleichungen
von den 3 Reaktionsgleichungs-Arbeitsblättern
11.16.2 Fragen zum Periodensystem und zum Atombau
1. Nach welchen Kriterien ist das PSE aufgebaut? Erkläre dazu die Begriﬀe Hauptgruppen, Perioden & Ordnungszahl, Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Halogene und
Edelgase!
2. Woran kann man erkennen, dass das Elemente im PSE nicht nach der Massenzahl
angeordnet sind?
3. Zeichne den komplette Aufbau der folgenden Atome (welche von Ihnen haben Edelgaskonﬁguration?): Bor, Lithium, Helium, Silicium. Calcium.
11.16.3 Fragen zu Metallen, Redoxreaktionen & Energiediagramm
1. Erkläre den Versuch zur Reduktion von Kupferoxid!
2. Was versteht man unter Oxidation, Reduktion und Redoxreaktion? Erkläre mit einem
Beispiel!
3. Woran erkennt man Redoxreaktionen?
4. Liegt bei dem Luftballon-Explosionsversuch eine Redoxreaktion vor? Begründe mit
einer Reaktionsgleichung!
5. Nenne drei Wege (mit Reaktionsgleichung) aus CuO das metallische Element zu gewinnen!
6. Was ist der Hochofenprozess? Erkläre umfassend !
7. Beschreibe das Thermitverfahren!
8. Wie unterscheidet sich der Hochofenprozess vom Thermitverfahren, wo liegen Gemeinsamkeiten?
9. Wie kann aus Bleioxid (PbO) Sauerstoﬀ und Blei gewonnen werden?
10. Ist die Zersetzung von Wasser eine Redoxreaktion? Zeichne den Versuchsaufbau und
begründe!
11. Kann man zu Kohlenstoﬀdioxid verbrannten Kohlenstoﬀ wieder zurückgewinnen?
(schwere Aufgabe)
12. Zum Knobeln: Benzin (C8 H18 ) verbrennt an der Luft zu Wasser und Kohlenstoﬀdioxid. Erstelle die Reaktionsgleichung und dass passende Energiediagramm. Liegt eine
Redoxreaktion vor? Begründe.
13. Erkläre die Begriﬀe „endotherme Reaktion“ und „exotherme Reaktion“ mit je einer
Beispielreaktion und zeichne das passende Energiediagramm. (Vergisst Du die Achsen
zu beschriften, schreibe alle Fragen 137 mal ab!!!)
14. Was ist ein Katalysator? Nenne Aufgaben und beschreibe sein Verhalten z. B. bei
der Verbrennung von Zucker. Erstelle die Reaktionsgleichung [Zucker: C6 H12 O6 ] und
zeichne anschließend ein Energiediagramm der katalytischen Zuckerverbrennung.
15. Vergleiche Kupfer und Eisen hinlänglich ihrer Eigenschaften.
16. Nenne Eigenschaften von Aluminium? Wie wird es herstellt?
17. Ist Natrium ein Metall? Welche typischen Metalleigenschaften erfüllt es, welche nicht?
18. Ein Stück Natrium wird auf Wasser gelegt. Beschreibe die Reaktion. Stelle die Reaktionsgleichug auf. Liegt eine Redoxreaktion vor?
281
Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm
19. Ist die folgende Aussage richtig? „Die Alkalimetalle zeigen eine Abstufung der Eigenschaften“.
20. Gilt diese Aussage auch für die Halogene?
21. Vergleiche die Reaktion von ZnO + Cu mit der Reaktion von CuO + Zn. Welches der
beiden Metalle ist edler?
22. CuO reagiert mit Mg explosionsartig. Stelle eine Reihung (edel/ undel) der Metalle
Au, Ag, Cu, Mg, Na und Zn auf
23. In der Natur kommen die meisten Metalle als Oxid vor (also nicht als Element). Gold,
Silber und Kupfer hingegen auch in gediegener Form (= als Element). Was vermutest
Du als Ursache?
24. Warum hat die „Erﬁndung“ der Eisenherstellung länger gedauert als die der Kupferherstellung?
25. Ist Bronze ein Element?
282
12 Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und
Ionenbindung
12.1 Leitfähigkeitsmessung von Lösungen
Ganz am Anfang dieses Kurses haben wir die Leitfähigkeit von Elementen gemessen. Metalle
hatten wir damals festgestellt leiten den elektrischen Strom in der Regel gut. Was ist aber
mit Lösungen?
Versuchsbeschreibung
In Wasser werden verschiedene Salze (NaCl, KCl, Na2 SO4 ) sowie Harnstoﬀ und Zucker
gegeben. Es sollte immer die gleiche Flüssigkeitsmenge zugegeben werden und auch die
gleiche Menge Feststoﬀ. Die Leitfähigkeit wird dann gemessen.
Abb. 114
Versuchsaufbau Leitfähigkeit von Lösungen
Beobachtung
283
284
mögliche
Werte bei
3V
wässrige
Lösung von
Leitfähigkeit
1500mA
++
sehr gering
0,03 mA
NaCl
Wasser
1400mA
++
KCl
800mA
+
Na2SO4
0,03 mA
sehr gering
Harnstoﬀ
sehr gering
0,03 mA
Zucker
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
Leitfähigkeitsmessung von Lösungen
Wenn man nicht immer die gleiche Salzmenge zugibt, sieht man, dass je mehr Salz in das
Wasser zugegeben wird, desto höher die Leitfähigkeit der Lösung ist.
Weißt Du eigentlich (noch), was Leitfähigkeit ist?
Unsere Apparatur misst eigentlich die Stromstärke [I]. Sie gibt an, wie viele Elektronen
durch die Lösung vom Minuspol zum Pluspol wandern.
Aber wie aber gelangen die Elektronen vom Minuspol (Pol erfragen!) zum Pluspol?
Deﬁnition
Salze zerfallen beim Lösen in geladene Teilchen. Diese geladenen Teilchen transportieren
die Ladungen des elektrischen Stroms von der 1. Elektrode durch das Wasser zur zweiten
Elektrode.
Dabei kann man sich vorstellen, dass sie die Elektronen „tragen“, wie ein Wanderer einen
Rucksack trägt. Da das altgriechische Wort für Wanderer ionos lautet, nennen die Chemiker
alle geladenen Teilchen Ionen.
Deﬁnition
Je mehr Salz sich dabei auﬂöst, desto mehr erhöht sich die Leitfähigkeit, da mehr Ionen
in der Lösung vorhanden sind.
• Leitungswasser leitet übrigens auch minimal den elektrischen Strom, da in ihm winzige
Mengen von Mineralsalzen enthalten sind.
• Zucker und Harnstoﬀ sind keine Salze, deshalb erhöhen sie die Leitfähigkeit des Wassers
nicht.
Welche geladenen Teilchen sind in der Lösung enthalten?
Im Kochsalz NaCl sind geladene Na und Cl Ionen vorhanden.
12.1.1 Sind die geladenen Teilchen schon im Feststoﬀ NaCl vorhanden?
Versuchsbeschreibung
Messung der Leitfähigkeit von festen Salzen
Beobachtung
Die festen Salze leiten den elektrischen Strom gar nicht!
Schlussfolgerung
Salze sind aus Ionen aufgebaut. In der Lösung (sowie in geschmolzener Form) sind die Ionen
frei beweglich und können Ladungen;transportieren, im Feststoﬀ nicht! Das heißt nicht, dass
im Feststoﬀ keine Ionen vorhanden sind - sie sind halt nur nicht beweglich!
285
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
Deﬁnition
Nur in Salzlösungen und Salzschmelzen sind die Ionen beweglich
⇒ Salzkristalle leiten den e- Strom nicht.
Deﬁnition: Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Moleküle. Ionen mit positiver
Ladung werden Kationen genannt, Ionen mit negativer Ladung Anionen.
12.2 Ionenwanderung
Versuchsbeschreibung
Das mit Natriumchloridlösung getränkte Filterpapier, wird an den Enden mit einem gefaltetem Kupferblech und einer Krokodilklemme an die Gleichspannungsquelle angeschlossen.
Auf der Filterpapiermitte werden die Probesubstanzen aufgelegt (Kupfersulfat, Kaliumdichromat und Kaliumpermanganat - Kristalle). Versuche die mittlere Ionenwanderungsgeschwindigkeit zu bestimmen.
Abb. 115
Versuchsaufbau Leitfähigkeit von Lösungen
Beobachtung
zum Pluspol sieht man eine orange und violette Färbung, zum Minuspol eine blaue.
Schlussfolgerung
Unter dem Einﬂuss des elektrischen Feldes wandern die positiv geladenen (Kationen) Kupferionen zum Minuspol (Kathode), die negativ geladenen Chromationen (Anionen) wandern
zum Pluspol (Anode).
286
Edelgaskonﬁguration
12.3 Edelgaskonﬁguration
Siehe Kapitel Edelgase!
Wdh.: Edelgase sind die Elemente der 8. Hauptgruppe.
Deﬁnition
Edelgase sind besonders reaktionsträge und chemisch sehr stabil. Es existieren nur wenige
bekannte Verbindungen (z.B. Xenonhexaﬂuorid)
Edelgase haben eine voll besetzte äußere Elektronenwolke (= voll besetzte Anzahl an
Valenzelektronen), dadurch sind sie chemisch besonders stabil und reaktionsträge
Eine Elektronenwolke kann genau 2n2 Elektronen aufnehmen. (n= Periodennummer =
Anzahl an Elektronenwolken)
⇒ Elemente der 1. Periode haben mit 2 e- Edelgaskonﬁguration
⇒ Elemente der 2. Periode haben mit 8 e- Edelgaskonﬁguration
⇒ Elemente der 3. Periode haben mit 18 e- Edelgaskonﬁguration
12.3.1 Zusatzinformationen:
w:Edelgase1
12.4 Welche Ionen sind in Natriumchlorid zu ﬁnden?
12.4.1 Bildung des Na- Ions
23 Na
11
hat 1 Außenelektron.
Deﬁnition
Dieses Außenelektron wird abgegeben. Dem verbleibenden Teilchen fehlt es nun, dadurch
ist es positiv geladen.
1
http://de.wikipedia.org/wiki/Edelgase
287
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
Abb. 116
Abgabe eines Außenelektrons
Wie kommt es zur positiven Ladung?
In der atomaren Form liegen je 11 negative und 11 positive Ladungen vor. Entfernt man
ein negatives Elektron, dann bleibt eine positive Ladung „über“.
⇒ Das Ion ist also einfach positiv geladen
Hinweis:
In Reaktionsgleichungen werden keine Elektronen „abgezogen“ oder
„subtrahiert“. Für die Gleichung wird stattdessen von eine „Aufspaltung“ in Elektron und Ion ausgegangen.
12.4.2 Bildung des Cl- Ions
35 Cl
17
hat 7 Außenelektronen.
Deﬁnition
Eine Außenelektron wird aufgenommen. das neue Teilchen hat nun ein Elektron mehr und
somit eine negative Ladung mehr als vorher. Dadurch ist es negativ geladen.
288
Welche Ionen sind in Natriumchlorid zu ﬁnden?
Abb. 117
Abgabe eines Außenelektrons
Wie kommt es zur negativen Ladung?
In der atomaren Form liegen je 17 negative und 17 positive Ladungen vor. Fügt man nun
ein negatives Elektron hinzu, dann liegt eine negative Ladung im Überschuss vor.
⇒ Das Ion ist also einfach negativ geladen.
Zusatzinformation:
Fast jedes Element kann sowohl atomar, als auch in ionischer Form auftreten. Salze sind
aus Ionen aufgebaut.
Aufgaben:
Welche Ionen bildet:
a) LiF
b) MgO
c) HCl
2
d) CaF2
2
Schüler stoßen von selbst darauf, dass es nur ein Proton ist!
289
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
12.5 Erklärung nach den Besetzungsregeln des
Orbitalmodells
Abb. 118
Energieniveauschemen von Natrium und einem Natriumion
Exkurs: Folie: Hinweis auf vollbesetzte Energieniveaus der Edelgase
⇒
Nach Möglichkeit „streben“ Elemente vollbesetzte Energieniveaus an!
Welche Ladung kann ein Natriumion tragen, damit es nur vollbesetzte Energieniveaus hat?
+1
Natriumatom
11 Elektronen davon 1 Valenzelektron
⇒ keine voll besetzt E-Wolke
⇒ chemisch eher instabil und reaktiv
290
Natriumion
10 Elektronen, davon 8 VE
⇒ voll besetzte Valenz-Schale
⇒ stabilerer Zustand (energetisch günstiger)
⇒ wenig reaktiv
Eigenschaften der Salze
Abb. 119
Energieniveauschemen von Chlor und einem Chlorion
Welche Ladung kann ein Chloridion tragen, damit es nur vollbesetzte Energieniveaus hat?
-1
Chloratom
17 Elektronen davon 7 Valenzelektron
⇒ keine voll besetzt E-Wolke
⇒ chemisch sehr reaktiv
Chloridion
18 Elektronen, davon 8 VE
⇒ voll besetzte Valenz-Schale
⇒ stabilerer Zustand (energetisch günstiger)
⇒ wenig reaktiv
12.6 Eigenschaften der Salze
12.6.1 Der Schmelzpunkt von Salzen ist sehr hoch.
In Salzen liegen also Ionen vor. Diese haben eine positive oder negative Ladung. Natriumchlorid besteht aus positiven Natriumionen und negativen Chloridionen. Positive und
negative Ionen ziehen sich gegenseitig an. Besonders im Feststoﬀ ist diese Anziehung besonders stark. Aus dem Kapitel über die Eigenbewegung der Teilchen weißt Du schon, dass
alle Teilchen schwingen. Also auch Ionen!
Was passiert nun beim Schmelzen eines Salzes?
Ionen beginnen zu schwingen und brechen dadurch den „Ionenverbund“ aus positiven und
negativen Ionen auf. ⇒ Ionen werden frei beweglich, das Salz schmilzt.
291
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
Beim Schmelzen von Salzen werden dabei also die Ionen voneinander getrennt. Durch Zufügen von Energie erhöht sich dabei die Eigenschwingung der Ionen. Überschreitet die
Energie den Schmelzpunkt, ist die Schwingung so groß, dass der Verband aus Ionen „zusammenbricht“.
Insgesamt kann man sagen, dass bei Salzen der Schmelzpunkt. sehr hoch ist, da die Ionen
sich durch die Ionenladung gegenseitig zusammenhalten und man „mehr“ Wärmeenergie
zufügen muss, um den Verbund zu lösen, als bei Verbindungen, die keine Ladungen enthalten (z.B. Zucker).
12.6.2 Charakteristische Eigenschaften von Salzen:
• Salze sind aus Ionen aufgebaut
• Salzschmelzen und wässrige Lösungen leiten den elektrischen Strom (� freie bewegliche
Ionen)
• Salzkristalle leiten den elektrischen Strom nicht!
• Salze sind bei Raumtemperatur Feststoﬀe. Sie haben einen hohen Schmelzpunkt
• Salzkristalle sind hart und spröde
• Sie bestehen immer aus einem oder mehreren Metallion und einem oder mehreren Säurerestion
• Nach „außen“ hin sind Salze ungeladen
12.6.3 Salzgewinnung:
Salze sind für den Menschen unentbehrlich. Das wichtigste ist dabei das Kochsalz (Natriumchlorid). Es wurde im Mittelalter auch das „weiße Gold genannt“. Salz war stets
ein wichtiges Handelsgut. Es fand sogar mehrfache Erwähnung in der Bibel. Viele Städte
tragen das Wort Salz (oder das Keltische Wort Hall) im Namen. (z.B. Halle, Reichenhall,
Hallein, Hall, Schwäbisch Hall, Salzburg, Salzgitter, Bad Salzuﬀeln, Salzdettford, Bad Salzschlirf).
Menschen gewinnen Salz entweder durch Meerwasserentsalzung, Salzstöcke oder aus Solen.
Städte, die im Mittelalter über Salzlager verfügten waren in der Regel dadurch sehr reich.
Gebrauch von Salzen: Kochsalz, Soda (für Seifensiedereien, Glashütten), Waschstoﬀ, Chlorherstellung (Bleich- und Desinfektionsmittel, für die PVC-Herstellung), Streusalz...
12.6.4 Zusatzinformationen:
w:Salze3
3
292
http://de.wikipedia.org/wiki/Salze
Kochsalz „NaCl”
12.7 Kochsalz „NaCl”
w:Natriumchlorid4
• Als Speisesalz wird Natriumchlorid zur Würzung von fast allen Speisen (wenn auch in
sehr unterschiedlichen Mengen) benutzt. Es ist für den Menschen lebenswichtig.
• Große Mengen an Salz werden als Streusalz (Auftausalz) im Winter verwendet. Der Eﬀekt
der Schmelzpunkterniedrigung wird im Labor auch bei der Bereitung von Kältemischungen genutzt.
• Natriumchlorid ist ein wichtiger Rohstoﬀ für die chemische Industrie, insbesondere zur
Gewinnung von Chlor und Natriumhydroxid in der Chlor-Alkali-Elektrolyse.
• Als Regeneriersalz für Geschirrspülmaschinen und bei Wasseraufbereitungsanlagen.
• Eine 0,9%ige Lösung von Natriumchlorid in Wasser wird in der Medizin als physiologische
Kochsalzlösung zur Auﬀüllung des Blutvolumens verwendet; sie ist isoosmotisch mit dem
Blutplasma.
• Zur Konservierung von Lebensmittel, z.B. Pökelﬂeisch, Einlegen von Fisch usw.
12.8 Wie bestimmt man Ionenladungen?
12.8.1 In der Chemie verwendet man meist drei Typen von Stoﬀen
a) Elemente (stehen im PSE). Ihre Formel ist immer so, wie sie dort stehen (z.B. Mg
oder Fe), bis auf die Ausnahmen Wasserstoﬀ, Stickstoﬀ, Sauerstoﬀ und 7.HG. Diese liegen
immer als 2fach Molekülelement vor (z.B. H2 , O2 , N2 , F2 , Cl2 ...)
b) Molekülverbindungen aus mehren Elementen (z.B. H2 O, CO2 oder NH3 ), Ihre Formel
muss man kennen (also lernen - sind ja aber auch meist bekannt - sind die üblichen)
c) Salze und Oxide (Oxide werden als oft Salze behandelt, haben aber statt des Säurerestes
der Salze das „O“.
z.B.: Salze: KCl, Na2 SO4 , Ca3 (PO4 )2
Oxide: CuO, Fe2 O3 , Na2 O
12.8.2 Aufgaben:
Schüler Ionen zeichnen und Ladung bestimmen lassen. Dabei werden von Wasserstoﬀ bis
Calcium alle an einzelne Schüler verteilt. In Vierergruppen werden die Ionen dann an die
Tafel geschrieben und ins Heft schnell abgeschrieben. Die Sonderrolle des Wasserstoﬀs wird
in der Folgestunde besprochen.
Zum Ende der Stunde werden allgemeine Regeln abgeleitet:
4
http://de.wikipedia.org/wiki/Natriumchlorid
293
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
12.8.3 Regeln:
Oberstes Gebot: Die Anzahl an Valenzelektronen des ungeladenen Atoms bestimmt die
Ionenladung. Ziel ist es dabei i.d.R. Edelgaskonﬁguration zu erhalten
⇒
Die Ladung einatomiger Ionen entspricht bei Elementen der 1.- 3. Hauptgruppe der Hauptgruppennummer.
• Die Elemente der 1. Hg bilden 1fach positive Ionen (z.B.: Li → Li+ + e- )
• Die Elemente der 2. Hg bilden 2fach positive Ionen (z.B.: Ca →Ca2+ + 2e- )
• Die Elemente der 3. Hg bilden 3fach positive Ionen (z.B.: Al → Al3+ + 3e- )
Bei den restlichen Elementen kann sie der Anzahl an Elektronen entsprechen, die zum
Erreichen von vollständig besetzten Energiestufen aufgenommen (oder abgegeben werden)
müssen:
Bsp. Sauerstoﬀ hat 6 VE ⇒ zur vollbesetzten Energiestufe fehlen 2 e- ⇒ O2- - Ion
• Elemente der 7. Hg bilden oft 1fach negative Ionen (wenn sie überhaupt Ionen bilden)
(z.B.: Cl → Cl- + e- )
• Elemente der 6. Hg bilden oft 2fach negative Ionen (wenn sie überhaupt Ionen bilden)
(z.B.: O → O2- +2e- )
• Elemente der 5. Hg bilden oft 3fach negative Ionen (wenn sie überhaupt Ionen bilden)
(z.B.: N → N3- + 3e- )
• Metalle bilden positive geladene Ionen (= Kationen), Nichtmetalle bilden (wenn sie
Ionen bilden) negativ geladene Ionen (=Anionen)
• Nebengruppenelemente (Fe, Cu, Zn) bilden „Kationen“ verschiedener Ladungen
• Edelgase bilden keine Ionen
Aufgaben
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Ionen entstehen durch...
Na+ -Ionen unterschieden sich von Na-Atomen durch...
Welche Eigenschaften haben Ionen
Erkläre den Begriﬀ Ionenbindung
Wie bestimmt man die Ladung eines Säurerestes?
Welche Voraussetzungen müssen gegeben sein, damit Ionen den Strom leiten?
Schlage Im Periodensystem nach, wie sich die Atom- und Ionenradien bei drei von Dir
gewählten Elementen unterscheiden
8. Bestimme die Ionenladungen der folgenden Ionen:
Na, Cl, Mg, Li, Sr, Be, S, O, Al, Os, C, H , K, Ca, Ba, Br, I, F, Ne
12.8.4 Welche Ionenladung hat das Wasserstoﬃon?
Wasserstoﬀ hat nur ein einziges Elektron. Es kann zum Erreichen der vollbesetzten Außenelektronenwolke ein e- aufnehmen oder abgeben.
294
Die Ionenbindung
Abb. 120
Ionenladung des Wasserstoﬀs
Deﬁnition
Während einige Metalle mit dem Hydrid Verbindungen eingehen,so ist (v.a. in der Schule) das H+ der häuﬁgere Reaktionspartner.
12.9 Die Ionenbindung
Vom Magnetismus aus dem Physikunterricht kennst Du die Anziehung der unterschiedlichen
Pole und die Abstoßung von gleichsinnigen Polen. In der Chemie hast Du nun positive und
negative elektrostatische Ladungen bei Ionen kennen gelernt. Auch diese ziehen sich bei
unterschiedlichem Vorzeichen an und stoßen sich bei gleichem Vorzeichen ab.
Deﬁnition
Ionen ungleicher Ladung ziehen sich an und verbinden sich
H + + Cl− −→ H + Cl−
N a+ + Cl− −→ N a+ Cl−
M g 2+ + O2− −→ M g 2+ O2−
Deﬁnition
Dabei müssen positive und negative Ladungen ausgeglichen sein, so dass die entstehende
Verbindung „nach außen“ ungeladen ist.
2H + + O2− −→ H2+ O2−
295
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
2Al3+ + 3O2− −→ Al23+ O32−
Deﬁnition
Die Verbindung von Ionen zu einer Verbindung nennt man Ionenbindung
12.10 Zusammensetzung der Salze
Bei festen Salzen sind sich immer (positive) Metallionen mit (negativen) Säurerestionen
miteinander verbunden. Im gelösten Zustand enthält die Lösung beide Ionensorten, welche
sich in der Lösung frei bewegen. Dieses kennzeichnet man durch ein „(aq)“ am Ion. (z.B.
Li+ (aq) )
Metallion
Lithium:
Kalium:
Natrium:
Magnesium:
Calcium:
Barium:
Aluminium:
Kupfer:
Silber:
Eisen:
Li+
K+
Na+
Mg2+
Ca2+
Ba2+
Al3+
Cu2+
Ag+
Fe2+ / Fe3+
Säurerestion
ClFBrIS2(NO3 )(SO4 )2(SO3 )2(CO3 )2(PO4 )3-
12.11 Liste einiger wichtiger Anionen
296
Chlorid
Fluorid
Bromid
Iodid
Sulﬁd
Nitrat
Sulfat
Sulﬁt
Carbonat
Phosphat
Ion
SO4 2HSO4 SO3 2MnO4 CrO4 2Cr2 O7 2-
Name
Sulfat
Hydrogensulfat
Sulﬁt
Permanganat
Chromat
Dichromat
Ion
NO3 NO2 S2S2 O3 2CO3 2HCO3 -
Name
Nitrat
Nitrit
Sulﬁd
Thiosulfat
Carbonat
Hydrogencarbonat
Ion
ClO4 ClO3 NH4 +
PO4 3HPO4 2H2 PO4 -
Name
Perchlorat
Chlorat
Ammonium
Phosphat
Hydrogenphosphat
Dihydrogenphosphat
Liste einiger wichtiger Anionen
297
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
12.11.1 Aufgaben:
1. Trage alle Ionenladungen der Säurereste auf dem Säurezettel des letzten Jahres ein!
2. Bestimme die Ionenladungen der folgenden Ionen:
Na, Cl, Mg, Li, Sr, Be, S, O, Al, Os, C, H, K, Ca, Ba, Br, I, F, Ne
3. Wie lautet die richtige Formel für folgende Salze:
• Natriumchlorid (= Kochsalz):
• Bariumsulfat:
• Magnesiumcarbonat:
• Natriumsulfat:
• Lithiumnitrat:
• Kaliumbromid:
• Calciumphosphat:
• Aluminiumsulfat:
12.11.2 Übungen
Schreibe hinter jedes Symbol die passende Ionenladung und kombiniere anschließend die
Ionen zu nach „außen“ hin ungeladenen Salzen. Schreibe unter die Salzformel den passenden
Namen
298
K
Li
Na
Ca
Al
Fe2+
Fe3+
Pb
Cr
Cu
Name
des Metallion
F
Cl
S
O
Name des Nichtmetalls/Nichtmellverbindung
NO3
SO4
PO4
Liste einiger wichtiger Anionen
299
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
12.12 Nomenklatur bei Salzen
Salze werden nach mit dem Atomnamen des Metallions und dem Säurerest benannt. Die
Wertigkeit des Metallions kann dabei durch eine griechische Zahl angegeben werden. Bsp.:
Eisen (III) Chlorid
Zahlenwert
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Vorsilbe
mono
di
tri
tetra
penta
hexa
hepta
octa
nona
deca
12.13 Zusammenfassung Ionen
1. Vervollständige die Sätze
• Ionen entstehen durch ...
• Ionen unterschieden sich von Atomen durch ...
• Salze sind so aufgebaut, dass ...
• Ionen haben die Eigenschaften ...
• Ionenladungen bestimmt man ...
• Die Ladung eines Säurerestes kann man bestimmen, indem…
2. Welche Voraussetzungen müssen gegeben sein, damit Ionen den Strom leiten?
12.14 Übungstest zum Thema „Salze und Ionen“ I
guter Leiter?
j/n
Stoﬀ
Zuckerlösung
Magnesiumchloridlösung
Natriumsulfatkristall
Kochsalzschmelze
Silberchlorid in Wasser
Wasser aus der Leitung
Metallstab
Kohlenstoﬀdioxid
300
Erklärung
Nitration:
Chloridion:
Phosphation:
Natriumion:
Berilliumion:
Magnesiumion:
Sulﬁdion:
Oxidion:
Sulfation:
Carbonation:
Fluoridion:
Silberion:
Übungstest zum Thema „Salze und Ionen“ I
301
K
Li
Ca
Al
Ba
Ag
F
Cl
S
SO4
CO3
PO4
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
302
4 Möglichkeiten der Salzbildung
1. Welche der in der Tabelle sind gute Leiter für elektrischen Strom? (je 0,5P
⇒ 4P)
2. Deﬁniere den Begriﬀ „Ion“! (2P)
3. Welche Unterschiede bestehen zwischen Natrium als Element und dem
Natriumion? (4P)
4. Unterstreiche bei den Begriﬀen Anionen in rot und Kationen in grün und
notiere dann die entsprechende Formel mit ihrer Ionenladung. (Begriﬀe je
Ion 0,25P + je Formel 0,25P ⇒ 6 P)
5. Bestimme die Ionenladungen der Ionen in der Tabelle rechts und erstelle
dann die Summenformel, welche sie im entsprechenden Salzkristall haben.
Zum Schluss markiere die schwerlöslichen Salze! (je 0,25P ⇒ 9P)
6. Nenne die allgemeine Regel, nach der Salze aufgebaut sind und beschreibe dann die genaue Anordnung. Gehe dabei auch auf den vorliegenden
Bindungstyp ein. (4P)
7. Wenn man in Trinkwasser Silbernitratlösung tropft, kommt es zu einer
leichten Trübung. Beschreibe die Reaktion genau und benenne den sich
bildenden Stoﬀ. (Rückseite) (6P)
12.15 4 Möglichkeiten der Salzbildung
Salze lassen sich auf mehreren Wegen bilden. Diese sind auch in der Natur so zu ﬁnden.
12.15.1 1. Salzbildung durch Neutralisation
Diesen Weg kennst Du schon aus dem Kapitel „Neutralisation“.
Versuchsbeschreibung
Zu Schwefelsäure wird erst etwas Universalindikator und dann tropfenweise Kalilauge
zugefügt. Die neutrale Lösung wird eingedampft.
Beobachtung
Lösung wird warm, nach dem Eindampfen liegt ein weißer Feststoﬀ vor.
303
Bsp.:
H2 SO4
Säure
+
+
2 KOH
Lauge
−→
−→
K2 SO4
Salz
+
+
2 H2 O
Wasser
+
+
E
Energie
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
304
4 Möglichkeiten der Salzbildung
12.15.2 2. Salzbildung aus Metalloxid und Säure
Versuchsbeschreibung
a)
b)
Etwa 4 cm Magnesiumband wird mit einer Tiegelzange in die Bunsenbrennerﬂamme gehalten. Gib das Reaktionsprodukt in ein Reagenzglas. (Hinweis:
Nicht in die Flamme schauen!)
Salzbildung: In das Reagenzglas wird verdünnte HCl gegeben (etwa 2cm
hoch).Dampfe anschließend die Lösung ein. Benutze dabei unbedingt die
Schutzbrille!
Beobachtung
a)
Mg verbrennt mit sehr heller Flamme. Das Reaktionsprodukt ist ein weißes
Pulver. Das Oxid löst sich in der Säure, beim Eindampfen erhält man einen
farblosen Feststoﬀ.
Schlussfolgerung
305
+
+
MgO
Metalloxid
b)
+
2 Mg
a)
306
Säure
2 HCl
O2
2 MgO
H2 O
Salz
−→
−→
−→
+
+
Wasser
MgCl2
+
Energie
(Magnesiumoxid)
(Magnesiumchlorid)
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
4 Möglichkeiten der Salzbildung
12.15.3 3. Salzbildung aus Nichtmetalloxid und Lauge
Versuchsbeschreibung
a)
b)
Herstellung von frischem Kalkwasser Überschichte 2 Spatelspitzen CaO mit
Wasser und schüttle kräftig. Filtriere die entstandeneLösung. [genaue Anleitung und Demonstration!]
Salzbildung: Blase mit Hilfe einer Pipette mehrmals ausgeatmete Luft in die
Lösung.
dhunparserurl Anorganische Chemie für
Schüler: Vorlage: BBeobachtung
dhunparserurl Anorganische Chemie für
Schüler: Vorlage: SSchlussfolgerung
a) Nur ein Teil des CaO löst sich in Wasser
b) Die Lösung färbt sich milchig-trüb
a) CaO
+ H2 O −→ Ca(OH)2 (Kalkwasser)
b) Ca(OH)2 + CO2 −→ CaCO3 + H2 O
+E
Calciumcarbonat (Kalk) ist ein schwerlösliches Salz. Es löst sich nur in geringem Maße5
Deﬁnition
Nichtmetalloxid + Lauge −→ Salz + Wasser + E
Anmerkung: Im Grunde entsprechen die Wege 2. und 3. dem ersten, da in Nichtmetalloxide
mit Wasser Säuren bildet und Metalloxide mit Wasser Laugen entstehen lassen.
12.15.4 4. Salzbildung aus den Elementen
Versuchsbeschreibung
ca. 5 g Magnesium (alternativ Zink) werden mit ca. 3 g Iod (I2 ) vorsichtig vermischt.
Das fertige Gemisch wird dann auf ein Uhrgläschengebracht und im Abzug vorsichtig mit
wenigen Tropfen Wasser aus der Spritzﬂasche benetzt. Alternativ kann der Versuch im
Reagenzglas durchgeführt werden. Dann kann nach Reaktionsende deutlich mehr Wasser
zugefügt werden, in dem sich das Salz löst. Das Wasser wird ab dekantiert und anschließend
eingedampft.
5
D.h. in Wasser wird nicht genügend Energie aufgebracht, das Ionengitter zu „zerstören“. ⇒Das Salz löst
sich nicht (nur in sehr geringen Mengen), solange nicht mehr Energie zugeführt wird.
307
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
Abb. 121 Versuchsaufbau der Salzbildung aus Elementen im Uhrglas
Abb. 122 Versuchsaufbau der Salzbildung aus Elementen im Reagensglas
Beobachtung
Heftige Reaktion, Bildung eines hellen Feststoﬀs, violette Ioddämpfe, Der Feststoﬀ löst sich
in Wasser. Nach dem Eindampfen der Lösung ist er am RG-Boden sichtbar.
Schlussfolgerung
Bei der Reaktion von Mg und I2 entsteht (festes) Magnesiumiodid. Dieses ist aus Ionen
aufgebaut (Salz!) ⇒ Bei der Reaktion hat ein Magnesiumatom Elektronen an 2 Iodatome
abgegeben:
Schlussfolgerung
Es ist das Salz Magnesiumiodid entstanden
308
Mg
I2 + 2 e-
−→
−→
Mg2+ + 2 e2 I-
4 Möglichkeiten der Salzbildung
309
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
---Mg + I2
−→
Mg2+ + I2 - + E
Deﬁnition
12.15.5 Aufgaben
• Vervollständige die Gleichungen:
310
Metalloxid + Säure:
Calciumoxid
CaO
Calciumoxid
CaO
__HCl
Phosphorsäure
__H3 PO4
+
+
+
Salzsäure
+
+
+
−→
−→
4 Möglichkeiten der Salzbildung
311
Nichtmetalloxid + Lauge:
Schwefeldi- +
oxid
SO2
+
Kohlendi+
oxid
CO2
+
Barytwasser
__Ba(OH)2 −→
Natronlauge
__NaOH −→
312
+
+
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
__Fe
Metall + Nichtmetall:
Magnesium
Mg
Eisen
+
+
+
+
__Cl2
Brom
__Br2
Chlor
−→
(es entsteht
−→
Eisen
+
+
(III)clorid)
4 Möglichkeiten der Salzbildung
313
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
• Wiederhole die Edelgasregel
• Wenn Du eine Energiebetrachtung zu allen Salzbildungen durchführst, was fällt dann
auf?
12.16 Salzbildung II: Die Bildung von Zinksulﬁd aus den
Elementen
Versuchsbeschreibung
Zur Vereinigung von Zink und Schwefel werden beide Elemente miteinander vermischt und
auf einem Drahtnetz mit einem glühenden Draht entzündet. ([2 : 1], kleine Mengen, Abzug,
Schutzbrille!])
Abb. 123
Versuchsaufbau Bildung von Zinksulfat aus den Elementen
Beobachtung
Sehr heftige Reaktion, Rauchentwicklung
Schlussfolgerung
Es fand eine Salzbildung statt. Die Reaktion ist stark exotherm. Der neue Stoﬀ heißt Zinksulﬁd.
Zum Aufstellen der Reaktionsgleichung muss man wissen, dass Zn zwei Valenzelektronen
besitzt.
314
Zn
S + 2 e-
−→
−→
Zn2+ + 2 eS2-
Salzbildung II: Die Bildung von Zinksulﬁd aus den Elementen
315
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
---Zn + S
−→
Zn2+ + S2- + E
12.17 Elektrolyse einer (wässrigen) Kupferchloridlösung
Eine Elektrolyse ist eine Aufspaltung einer Verbindung mit Hilfe von elektrischem Strom.
Viele Elektrolysen sind in der Technik sehr wichtig: Die reine Form der Metalle Aluminium
und Magnesium können nur elektrolytisch hergestellt werden.
Versuchsbeschreibung
In diesem Versuch soll durch Elektrizität Kupferchlorid gespalten werden. Eines der Produkte ist dabei sehr nützlich! Dazu werden in eine Kupferchloridlösung zwei Kohlenstoﬀelektroden getaucht und eine Spannung von 5V angelegt.
Abb. 124
Versuchsaufbau Elektrolyse
dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler: Vorlage: BBeobachtung
dhunparserurl Anorganische Chemie
für Schüler: Vorlage:
SSchlussfolgerung
An der Anode entsteht ein dunkelbrauner Feststoﬀ
⇒ Kathode: Kupferabscheidung
⇒ Anode: Chlorentwicklung
An der Kathode entsteht ein stechend riechendes Gas
316
Elektrolyse einer (wässrigen) Kupferchloridlösung
12.17.1 Detailzeichnung:
dhunparserurl Anorganische Chemie für
Schüler: Vorlage: Merksatz
Deﬁnition
Abb. 125
lyse
Detailzeichnung der Elektro-
12.17.2 - Pol (Kathode):
317
1.Schritt:
2. Schritt:
Cl2 [Cl]
⇒
−→
−→
2Cl[Cl]
Cl2
−→
e+
+
Cl2
2e-
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
318
Elektrolyse einer (wässrigen) Kupferchloridlösung
12.17.3 + Pol (Anode):
319
Cu2+
+
2e-
−→
Cu
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
320
Elektrolyse einer (wässrigen) Kupferchloridlösung
12.17.4 Gesamtreaktionsgleichung:
321
2Cl-
+
Cu2+
−→
Cl2
+
Cu
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
322
Kathode:
Anode:
Kupferionen
Chloridionen
(= Kationen)
(= Anionen)
+
Elektronen
(→ Chlormoleküle)
→ Kupferatome
→ Chloratome
+
Elektronen
Elektrolyse einer (wässrigen) Kupferchloridlösung
323
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
12.17.5 Aufgaben:
Stelle die Reaktionsgleichung einer Magnesiumchlorid-Lösung Elektrolyse auf. Welche Produkte entstehen?
12.18 Übung - Verkupfern eine Schlüssels
Als Verkupfern bezeichnet man das Überziehen metallischer Gegenstände mit Kupfer. Der
Vorgang ist eine Sonderform der Elektrolyse. Allerdings steht nicht die Zersetzung des Salzes im Vordergrund, sondern vielmehr das entstehende Produkt Kupfer. Bei geeigneten
Bedingungen legt es sich auf dem metallischen Gegenstand, der als Minuspol dient ab.
Versuchsbeschreibung
Elektrolyse einer Kupferionenlösung:
Abb. 126
Versuchsaufbau Leitfähigkeit von Lösungen
Problem: Wie kann das Kupfer gut am Feststoﬀ haften? Möglichst dichter und geschlossener Kupferüberzug ⇒ Reinigung
Beobachtung
An der Anode entsteht ein dunkelbrauner Feststoﬀ An der Kathode entsteht ein stechend
riechendes Gas.
Schlussfolgerung
Am Schlüssel setzt sich schon nach kurzer Zeit ein rotbrauner Belag ab, der Anfangs schwarz
erscheint. Es handelt sich um Kupfer. (siehe auch vorheriger Versuch)
Gesamtreaktionsgleichung:
324
2Cl- + Cu2+ −→ Cl2 + Cu
Max von Laue - Versuch
12.18.1 Zusatzinformationen:
Andere Möglichkeiten zum w:Verkupfern6 :
w:Elektrolyse7
12.19 Max von Laue - Versuch
w:Max von Laue8
Max von Laue studierte an der Universität Straßburg Physik und beschäftigte sich nach seinem Umzug nach Göttingen schwerpunktmäßig mit der Optik. 1903 promovierte er bei Max
Planck in Berlin. Nach seiner Habilitation 1906 beschäftigte er sich mit der Relativitätstheorie Albert Einsteins und entwickelte 1907 mit optischen Experimenten wichtige Beweise
für die Richtigkeit des Einsteinschen Additionstheorems. 1909 kam er als Privatdozent an
das Institut für theoretische Physik der Universität München.
Im Jahr 1912 entdeckte er zusammen mit Friedrich und Knipping die Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallen. Damit waren sowohl der Wellencharakter der Röntgenstrahlung
als auch die Gitterstruktur der Kristalle nachgewiesen. Für seine Arbeit erhielt von Laue
1914 den Nobelpreis für Physik.
6
7
8
http://de.wikipedia.org/wiki/Verkupfern
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrolyse
http://de.wikipedia.org/wiki/Max%20von%20Laue
325
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
12.19.1 Der Laue - Versuch:
Abb. 127
Ergebnis des Laue-Versuches
Versuchsbeschreibung
Ein Salzkristall wird mit Röntgenstrahlung bestrahlt. Dahinter beﬁndet sich eine Fotoplatte,
welche für Röntgenstrahlen empﬁndlich ist9 .
Beobachtung
Laue bemerkte charakteristische Schwärzungen. Er untersuchte daraufhin verschiedene Salze
und stelle fest, dass es scheinbar drei Typen von Mustern gab, die besonders häuﬁg auftreten.
9
326
Auch wenn Menschen die Röntgenstrahlen nicht sehen können, so ist die Photoplatte dafür doch sensibel.
Röntgenstrahlen schwärzen die Stellen, auf die sie treﬀen (denn es ist ja erstmal ein Negativ!). Nach der
Entwicklung sind diese Stellen dann hell (siehe auch Abbildung)
Räumliche Struktur des Natriumchlorids
Schlussfolgerung
Im festen Zustand liegt in Salzen ein Ionengitter vor. Dabei sind Ionen im richtigen stöchiometrischen Verhältnis so „gepackt“, dass jedes Kation die gleiche Anzahl an Anionen als
Nachbarn hat (und umgekehrt). Ein positives Ion hat also nur negative Ionen als Nachbar
und umgekehrt. Die Anzahl ist dabei immer gleich! Diese Zahl nannte er Koordinationszahl. Die Koordinationszahl gibt die Anzahl der unmittelbaren Nachbarn an, welche für die
jeweiligen Salze typisch ist!
Es gibt dabei v.a. drei wichtige Typen, die besonders häuﬁg auftreten. Laue benannte sie
nach den Salzen, wo er dies zuerst bemerkte:
NaCl: Natriumchlorid-Typ KZ = 6 (also 6 Nachbarn pro Ion) bildet einen Oktaeder
CsCl: Cäsiumchlorid-Typ KZ = 8 (also 8 Nachbarn pro Ion) bildet einen Würfel
ZnS : Zinksulﬁd-Typ KZ = 4 (also nur 4 Nachbarn pro Ion) bildet einen Tetraede
Aber warum ist die Summenformel dann NaCl?
Wenn aber jedes Ion so viele Nachbarn hat, warum ist dann die Summenformel nicht
Nax Clx ? Das wäre doch viel zu chaotisch und kompliziert! Die Summenformel gibt also
nur das Verhältnis der Ionen an.
Bsp.: Na+ Cl- : Verhältnis Na+ : Cl- = 1:1
12.20 Räumliche Struktur des Natriumchlorids
Das Natriumchlorid-Ionengitter
Natriumchlorid hat die Koordinationszahl 6
Abb. 129
naten
Veraqnschaulichung der Koordi-
Abb. 128 Räumliche Darstellung
des Natriumchlorids im Gittermodell
327
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
12.21 Die Koordinationszahl
Die Anordnung der Ionen im Kristall ist regelmäßig. Betrachtet man z.B. einen Natriumchloridkristall, sieht man:
• jedes Na+ -Ion ist von 6 Cl- -Ionen umgeben
• jedes Cl- -Ion ist von 6 Na+ -Ionen umgeben
⇒ Man sagt daher die Koordinationszahl (KZ) beim Kochsalz ist 6
Deﬁnition
Wovon hängt die Koordinationszahl ab?
1. Je größer ein Anion ist, desto mehr Kationen könnten darum angeordnet werden.
2. Die Formel gibt an wie sich die Zahlen von Anionen und Kationen in der Verbindung
zueinander verhalten.
Deﬁnition
12.21.1 Beispiele für Ionenradien:
328
Ion
Radius
(Na+ )
97 pm
(Cs+ )
169 pm
(Zn2+ )
74 pm
(Cl- )
181 pm
(S2- )
184 pm
Die Koordinationszahl
329
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
r(Kation)
r(Anion)
Koordinationszahl
Anordnung der Ionen
Gittertyp
< 0,42
0,42 bis
0,73
> 0,73
4
6
tetraedrisch
oktaedrisch
ZnS-Typ
NaCl-Typ
8
würfelförmig
CsCl-Typ
12.21.2 Aufgabe:
Ermittle die Koordinationszahlen den und Gittertyp von Lithiumbromid.
r(Li+ ) = 68 pm, r(Br− ) = 195 pm
Wovon hängt der Ionenradius ab?
a)
Von Periode zu Periode nehmen die Ionenradien zu, da mit jeder Periode
auch eine neue Elektronenwolke vorhanden ist
⇒ der Radius nimmt zu
b)
Von der Anzahl an Valenzelektronen. Es gilt folgende Regel: Kationen sind
kleiner als die Anionen der selben Periode.
ErVon Element zu Element nimmt innerhalb einer Periode die Kernladungszahl
klä- (= Protonenzahl) zu. Das heißt, die Außenelektronen werden immer stärker
rung: durch mehr und mehr Protonen angezogen. Der Radius nimmt leicht ab.
Deﬁnition
• bei Kationen, also positiv geladene Ionen, ist der Ionenradius kleiner als der Atomradius.
Je größer die positive Ladung ist, desto kleiner wird der Ionenradius.
• bei Anionen, also negativ geladene Ionen, ist der Ionenradius größer als der Atomradius.
Je größer die negative Ladung ist, desto größer wird der Ionenradius.
Grobe Regel: Bei der Kationenbildung nimmt der Ionenradius ab, bei der Anionenbildung
hingegen nur unmerklich zu
12.21.3 Zusatzinformationen:
w:Coulombsches Gesetz10
10
330
http://de.wikipedia.org/wiki/Coulombsches%20Gesetz
Ionenbindung und das Ionengitter
12.22 Ionenbindung und das Ionengitter
12.22.1 Deﬁnition:
Eine Ionenbindung ist die Verbindung von unterschiedlich geladenen Ionen. Die
Ionen ziehen sich dabei durch elektrostatische Anziehung an und „halten“ so zusammen. Diese Ionenbindung kann z.B. durch einen Elektronenübergang von einem Atom auf ein Zweites
entstehen (z.B. bei der Salzbildung). Dabei werden jeweils soviel Elektronen aufgenommen
(bzw. abgegeben), bis beide Partner Edelgaskonﬁguration erreichen.
12.22.2 Regeln:
• Ein Ion kann aus einem oder mehreren Atomen bestehen (Na+ , Cl- , NO3 - ).
• Metallatome bilden Kationen. Diese sind positiv geladen und kleiner als das ursprüngliche Atom, da in ihrer Elektronenwolke ein Elektron fehlt. Nichtmetallatome bilden Anionen. Sie sind negativ geladen und ungefähr so groß wie das ursprüngliche Atom, da sich
die Anzahl ihrer Elektronenwolken nicht ändert.
Abb. 130 Räumliche Darstellung des Natriumchlorids im
Gittermodell (vereinfacht)
• Chlor: −→ Chlorid (Cl- )
331
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
• Schwefel: −→ Sulﬁd (S2- )
• Eine aus Ionen aufgebaute Verbindung besteht aus zahlreichen Anionen und Kationen,
die im festen Zustand zu einem Ionengitter (Kristall) geordnet sind. Die elektrostatische
Anziehung hält den Kristall zusammen.
• Die Koordinationszahl gibt die Zahl der unmittelbaren Nachbarn an. (Bsp. NaCl: KZ
= 6)
• Die Formel (z.B.: NaCl) gibt das einfachste ganzzahlige Verhältnis zwischen den Ionen
an. Insgesamt ist der Kristall elektrisch neutral.
• Bei der Bildung eines Ionengitters wird Gitterenergie frei. Das Ionengitter ist demnach
ein von den Ionen „angestrebter“ Zustand. (Man glaubt es kaum, aber der geordnete
Zustand ist der, der am wenigsten Energie benötigt!)
• Zum Auﬂösen eines Ionengitters wird demzufolge wieder die Gitterenergie benötigt, die
bei der Bildung frei wurde. (Um also „Unordnung“ zu erzeugen, muss Energie „rein gesteckt“ werden.)
• Beim Schmelzen von Salzen werden die Ionen des Ionengitters voneinander getrennt.
Durch Zufügen von Energie erhöht sich dabei die Eigenschwingung der Ionen. Überschreitet die Energie den Schmelzpunkt (= Betrag der Gitterenergie), ist die Schwingung
so groß, dass das Ionengitter „zusammenbricht“.
⇒Da die Ionen sich durch die Ionenladung gegenseitig zusammenhalten, muss sehr viel
Energie aufgebracht werden, um das Ionengitter zu zerstören.
⇒Bei Salzen ist der Schmelzpunkt sehr hoch
12.22.3 Bei der Bildung eines Ions aus einem Atom wird Energie
benötigt:
Ionisierungsenergie (ΔHI ): Energie, die benötigt wird, um aus einer Elektronenwolke
eines Atoms ein Elektron zu entfernen.
Elektronenaﬃnität (ΔHEA ): Energie, die benötigt/frei wird, um einem Atom ein Elektron
zuzufügen.
12.23 Das Coulomb’sche Gesetz
Das Coulombsche Gesetz wurde von dem französischen Physiker Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) im Jahre 1785 aufgestellt.
⇒
Ec
Ec
=
˜
k∗(Anz. neg. Ladungen)∗(Anz. pos. Ladungen)
d2
(Anz. neg. Ladungen)∗(Anz. pos. Ladungen)
d2
Ec = Coulomb’sche Energie (hier: Energie, die bei der Gitterbildung frei wird)
332
Wärme und Kälteeﬀekte beim Lösen von Salzen
d = Abstand zw. Ionen - Mittelpunkten (= Kernen)
k=
8,9∗109 J∗m
C2
(eine Konstante, unveränderbar!)
Allgemein beschreibt das Gesetz die elektrostatische Kraft zwischen zwei Punktladungen. Es
besagt, dass diese Kraft proportional zum Produkt dieser beiden Ladungen und umgekehrt
proportional zum Quadrat ihres Abstandes ist. Zwei Ladungen mit gleichem Vorzeichen
(gleichnamige) stoßen sich ab, solche mit verschiedenem Vorzeichen (ungleichnamige) ziehen
sich an. Das coulombsche Gesetz bildet die Basis der Elektrostatik.
12.23.1 Annahmen:
1. Wenn die Ladungen zweier Ionen das gleiche Vorzeichen haben, ist Ec positiv ⇒ es
ist Energie notwendig, um die Ionen zusammen zu bringen.
2. Ist eine Ionenladung aber negativ, ist das Vorzeichen negativ ⇒ es wird Energie
frei
3. Ist der Kation - Anion Abstand sehr klein, wird besonders viel Energie frei. ⇒ Je
geringer der Abstand zwischen den Ionen ist, desto mehr Energie muss aufgebracht
werden, um das Ionengitter aufzubrechen (Schmelzen).
Wovon hängt die Anziehung also ab?
Von der Anzahl der Ladungen und von den Ionenradien.
Berechne, bei welchem Salz die Gitterenergie größer ist: Li+ Cl- oder Ag+ Cld LiCl = (60+181) = 241 * 10-12 m dAgCl = (115+181) = 296 * 10-12 m
⇒
−2
= −0, 0083 ∗ 10−12 m
241 ∗ 10−12 m
−2
= −0, 0068 ∗ 10−12 m
296 ∗ 10−12 m
⇒ die Energie wird bei AgCl proportional höher sein
Dies ist die Erklärung für die Tatsache, dass AgCl ist ein schwerlösliches Salz ist
12.24 Wärme und Kälteeﬀekte beim Lösen von Salzen
Versuchsbeschreibung
Lösen verschiedener Salze mit gleichzeitiger Temperaturmessung (vorher Wassertemperatur
messen!). Nach Lösen des Salzes wird die Temperatur erneut gemessen.
Salze:
KCl
CuSO4
CaCl2 * 6H2O
T
ΔT
-7K
-2K
1K
333
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
CaCl2
NaCl
CaO
-7K
0K
+2K
Schlussfolgerung
Alle Feststoﬀe die aus Ionen aufgebaut sind, werden als Salz bezeichnet. Im festen Zustand bildet das Salz ein Ionengitter. Wird ein Salz in Wasser gelöst, gehen die Ionen vom
unbeweglichen Gitterzustand in den Freibeweglichen über.
12.24.1 Die geschieht in zwei Schritten:
1. Aufbrechen des Ionengitters und freisetzen der Ionen. (Energie wir benötigt, da
Ladungen getrennt (auseinander gezogen) werden müssen).
2. An die freien Ionen lagern sich aufgrund elektrostatischer Anziehung Wassermoleküle
an (Hydratisierung oder Hydrathüllenbildung). Dabei wird Energie freigesetzt.
Abb. 131
Wortglichung für das Lösen von Salzen
12.25 „Bananenmodell“ der Hydratisierung:
Ist der absolute Wert der Hydratationsenergie größer als der der Gitterenergie, kommt es
zu einem Temperaturanstieg. Im anderen Fall löst sich das Salz unter Abkühlung.
334
Fällungsreaktionen - Ionen umhüllen sich mit Wasser
Abb. 132
Graphische Veranschaulichung das Lösen von Salzen
12.26 Fällungsreaktionen - Ionen umhüllen sich mit Wasser
12.26.1 Was ist ein schwerlösliches Salz?
1.
335
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
Abb. 133
Lösen von Na2SO4 und BaCl2 im selben Gefäß
Deﬁnition
Deﬁnition
Durch das Verwenden von speziﬁschen Fällungsreaktionen ist es möglich, einzelne Bestandteile einer Lösung zu identiﬁzieren, also nachzuweisen. Dies ist sehr wichtig zum Nachweis
von geringen Ionen Konzentrationen im Analyselabor. Eine mögliche Anwendung ist die
Untersuchung von Trinkwasser oder Lebensmitteln. Fällungsreaktionen können auch zum
Ausfällen von störenden Ionen verwendet werden, z.B. bei der Reinigung von Klärwasser in
der chemischen Stufe der Kläranlage verwendet werden.
Transfer: Erkläre mit einer Zeichnung, welcher Feststoﬀ als schwerlösliches Salz ausfällt,
wenn man die Salze AgNO3 und NaCl zusammen in einer Lösung mit Wasser auﬂöst.
Deﬁnition
12.26.2 Fällungsreaktionen als chemische Nachweise
Praktikum Anorganische Chemie#Nachweisreaktionen11
11
336
http://de.wikibooks.org/wiki/Praktikum%20Anorganische%20Chemie%23Nachweisreaktionen
Fällungsreaktionen - Ionen umhüllen sich mit Wasser
Versuchsbeschreibung
Kippe die folgenden Lösungen zusammen und untersuche das Ergebnis
Beobachtung
In einigen Fällen kommt es zu einer Trübung
337
338
K2 CrO4
KNO3
KCl
K2 SO4
AgNO3
CuSO4
BaCl2
KCl
x
K2 SO4
x
AgNO3
AgCl ↓
x
CuSO4
BaSO4 ↓
AgCl↓
x
BaCl2
Ag2 (CrO4 )↓
BaSO4 ↓
x
K2 CrO4
Cu(CrO4) ↓
Ba(CrO4 )↓
(gelb)
x
x
-
KNO3
-
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
Fällungsreaktionen - Ionen umhüllen sich mit Wasser
Schlussfolgerung
Am ehesten kann man Fällungen mit einer Analogie erklären: Die 10 Klasse fährt im engen
Bus ins Schwimmbad. Im Bus sind alle eng zusammen (=Feststoﬀ), im Wasser bewegen
sich die Schüler dann wild hin und her. Treﬀen aber zwei „Verliebte“ aufeinander, so lassen
sie sich nicht mehr los und sind untrennbar verbunden ;-)
12.26.3 Nachweis von...
Chlorid-Ionen
Zugabe von Ag+ - Ionen Lösung (z.B. AgNO3 )
Na+ (aq) + Cl- (aq)
+ Ag+(aq) +
NO3 - (aq)
−→
Ag+ Cl- (s)↓
+
Nachweis
⇒
Na+ (aq)
+
NO3 - (aq)
(Test
NaNO3
ist
löslich)
weißer Niederschlag
• Die tiefgestellten Indizes stehen für:
•
•
•
•
•
•
•
•
(aq)= in Wasser gelöst
(s)= solid = Feststoﬀ
(l)=liquid =Flüssigkeit
(g)= gasförmig
Der Pfeil ↓ bedeutet, dass dieser Feststoﬀ ausfällt, d.h. sich am Boden abscheidet.
Vereinfachte Gleichung: Ag+(aq) + Cl- (aq) −→Ag+Cl- (s) ↓
Info: Auch Br- -Ionen und I- -Ionen bilden mit Silber schwerlösliche Niederschläge.
Zum Nachweis von Silberionen verfährt man entsprechend umgekehrt
Sulfat-Ionen
Zugabe von Ba2+ Ionenlösung (mit etwas Salzsäure −→ Auﬂösen von anderen Niederschlägen)
Ba2+ (aq) + SO4 2- (aq)
−→
⇒
Ba2+ SO4 2- (s) ↓
Nachweis
weißer Niederschlag
339
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
Fe3+ -Ionen
Zugabe von Thiocyanatlösung
−→
Fe3+ (aq) + 3 SCN- (aq)
Fe3+ SCN- 3
Nachweis
tief rot
⇒
Cu2+ -Ionen
Zugabe von Ammoniakwasser
Bei Zugabe von Ammoniakwasser zu Cu2+ -haltigen Lösungen entsteht eine
tiefblaue Farbe
(Kupfertetraminkomplex)
CO3 2- -Ionen
Zugabe von einer Säure
2 HCl(l) + CO3 2- (aq)
−→
⇒
H2 CO3 + 2 Cl↓
CO2 ↑ + H2
Nachweis
Lösung schäumt stark auf CO2
Schlussfolgerung
Ionen sind für den Menschen in der Regel unsichtbar. Um sie nachzuweisen muss man
sie zu einer „sichtbaren“ Form reagieren lassen. Bei vielen Nachweisreaktionen entstehen
schwerlösliche oder farbige Verbindungen (Fällungs- oder Farbreaktionen) oder Gase mit
auﬀälligenEigenschaften.
12.26.4 Übung: Wozu dienen Fällungsreaktionen? Wasseruntersuchungen
Problemstellung:
Ein Labor hat 4 Wasserproben (3 Mineralwasser und ein destilliertes Wasser) auf ihren
Ionengehalt untersucht und leider zur Befestigung der Etiketten einen schlechten Klebstoﬀ
verwendet. Die Schilder sind abgefallen. Ist jetzt noch möglich, die einzelnen Wasserproben
den Laborergebnissen zuzuordnen?
340
Kalk - ein besonderes Salz
Versuch: Analyse dreier Mineralwasser
Drei Flaschen Mineralwasser und destilliertes Wasser werden in gleichen Bechergläsern präsentiert. Die Schüler sollen dann eine Zuordnung zu den Originalquellen versuchen. Versuch: Nachweis von Chlorid und Sulfationen in:
1.
2.
3.
4.
Mineralwasser 1
Mineralwasser 2
Mineralwasser 3
Dest. Wasser
Beobachtung
Unterschiedliche Trübungen, je nach Ionengehalt. ⇒ Zuordnung möglich
Schlussfolgerung & Auswertung:
• Welche zwei schwerlöslichen Salze haben wir gebildet?
• Kann man mit unseren Erfahrungen jetzt den Chloridgehalt von Leitungswasser bestimmen?
• Warum kann die ursprünglich „mindergiftige“ Bariumionenlösung unbeschadet in den
Ausguss? - Bariumsulfat ist ein Mineral (Barit) (⇒ sehr schlechte Löslichkeit, noch
nicht mal in HCl )
• Einige Wasser tragen die Aufschrift: „Enteisent“. Wie ist es möglich ein Ion gezielt zu
entfernen.
• Warum entfernt man nicht auf dem selben Wege Chloridionen aus dem Wasser?
• Beim Erhitzen von Wasser werden (durch komplizierte Reaktionen) Carbonate freigesetzt. Diese reagieren mit Calciumionen zu einem schwerlöslichen Salz. Wie heißt es und
was für Folgen hat dies?
12.27 Kalk - ein besonderes Salz
nach: w:Kalziumkarbonat12
Kalziumkarbonat ist eine chemische Verbindung mit der Summenformel CaCO3 . In der
Natur bildet dieses Mineral drei Calciumcarbonat-Gesteine, die zwar chemisch identisch
sind, sich aber sonst in mancherlei Hinsicht unterscheiden.
• Kreide ist ein feines, mikrokristallines Sedimentgestein, das durch Ablagerung der Schalen
von fossilen Kleinlebewesen (wie Coccolithen und Kammerlinge) entstanden ist. Kreide
wird an zahlreichen Standorten entlang des europäischen Kreidegürtels abgebaut, von
Großbritannien über Frankreich bis hin zur Insel Rügen in Norddeutschland.
• Kalkstein ist ebenfalls biologischen Ursprungs, aber stärker verfestigt als Kreide. Die
eigentlichen Gesteinsbildner waren Schnecken und Muscheln sowie gesteinsbildende Korallen und Schwämme. Die Größe der Karbonatkristalle liegt zwischen derjenigen von
Kreide und Marmor. Große Kalkstein-Vorkommen beﬁnden sich im französischen Orgon
12
http://de.wikipedia.org/wiki/Kalziumkarbonat
341
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
sowie in Burgberg (Deutschland). Kalkgesteine ﬁnden sich auch auf der Schwäbischen
und Fränkischen Alb, sowie in den Kalkalpen.
• Marmor ist ein grobkristallines, metamorphes Gestein, das entsteht, wenn Kreide oder
Kalkstein unter dem Einﬂuss hoher Temperaturen und Drücke umkristallisiert werden.
Große Marmor-Vorkommen ﬁnden sich in Nordamerika und in Europa beispielsweise in
Österreich, Norwegen oder im italienischen Carrara, der Heimat des reinweißen "Statuario", aus dem Michelangelo seine Skulpturen schuf.
Obgleich mehr als vier Prozent der Erdkruste aus Kalziumkarbonat-Gesteinen besteht, sind
nur wenige Lagerstätten für die Gewinnung von Füllstoﬀen geeignet. Reinheit, Weißgrad,
Mächtigkeit und Homogenität sind nur einige der Parameter, die Geologen bei der Prospektion von Kalziumkarbonat-Vorkommen in aller Welt erfassen.
12.27.1 Der technische Kalkkreislauf
Durch technische Vorgänge kann Calciumcarbonat (Kalk) in Kalkmörtel umgewandelt werden. Bei der Verwendung härtet dieser durch die Reaktion mit Kohlenstoﬀdioxid (aus der
Luft) wieder zu Calciumcarbonat aus. Dabei bilden sich lange Kalknadeln, welche die Baustoﬀe (wie Ziegel) gut miteinander verbinden).
Versuchsbeschreibung
a) Marmor/ Calciumcarbonat wird in Wasser gegeben. Es erfolgt ein Indikatortest!
b) Dann wird er in der Brennerﬂamme mehrere Minuten gebrannt und anschließend in
Wasser gegeben. Führe einen Indikatortest durch!
Beobachtung
a) Keine Änderung der Indikatorfarbe
b) Es ist eine Lauge entstanden
Schlussfolgerung
Durch das Brennen ist Calciumoxid entstanden, welches mit Wasser Kalkwasser bildet.
Kalkwasser ist eine Lauge - Vorsicht!
342
Kalk - ein besonderes Salz
Abb. 134
Keislauf des Kalkbrennens
a) Gebrannter Kalk
Ab einer Temperatur von etwa 800 °C wird Kalkstein zersetzt. CO2 wird ausgetrieben und
es entsteht der gebrannte Kalk:
Calciumcarbonat + E −→ Calciumoxid + Kohlenstoﬀdioxid
CaCO3 + E −→ CaO + CO2
Vorsicht: Gebrannter (ungelöschter) Kalk und gelöschter Kalk sind stark ätzend! Kontakt
mit den Augen kann zur Erblindung führen! Gewöhnlicher Kalk ist dagegen harmlos.
b) Gelöschter Kalk
Wird gebrannter Kalk mit Wasser versetzt, entsteht unter Volumenvergrößerung und starker Wärmeentwicklung gelöschter Kalk, das zum Kalken von Wänden und als Zusatz zu
Kalkmörtel verwendet wird.
Calciumoxid + Kohlenstoﬀdioxid −→ Calciumhydroxid + E
CaO + CO2 −→ Ca(OH)2 + E
c) Abbinden des Mörtel: An der Luft bindet gelöschter Kalk mit Hilfe von Kohlenstoﬀdioxid wieder zu Calciumcarbonat ab, womit sich der Kreislauf schließt. Der Vorgang des
Abbindens kann durch den geringen CO2 Gehlat der Luft jahrelang dauern. In einigen alten
dicken Maurn alter Burgen ist der Mörtel teilweise heute noch nicht abgebunden
Calciumhydroxid + Kohlenstoﬀdioxid −→ Calciumcarbonat + Wasser + E
Ca(OH)2 + CO2 −→ CaCO3 + H2 O + E
343
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
12.27.2 Zusatzinformationen:
w:Kalziumcarbonat13 w:Technischer Kalkkreislauf14
12.27.3 Zement
Zement (lat. caementum: Bruchstein, Baustein) verbindet ähnlich wie Kalkmörtel Baustoﬀe
wie z.B. Ziegelsteine. Zement ist besonders fest und hält sehr lange. Obwohl er nicht völlig
unanfällig gegen Verwitterung ist, so halten Bauten mit Zement und Beton (einem Produkt
aus Zement) sehr lange.
Zur Herstellung wird ein Gemisch aus Ton und Kalk fein gemahlen (manchmal nimmt
man Mergel, welches ein natürliches Gemisch beider Stoﬀe ist). Das Gemisch wird in einen
Drehrohofen bei 1450°C erhitzt/ gebrannt. Es entsteht dabei der Zement.
Kommt Zement mit Wasser in Berührung, bindet er ab. Dabei reagieren CalciumAluminium-Silikate, die beim Brennen entstanden sind mit Wasser. Es entstehen kleinste
Kristalle, die sich ineinander „verﬁlzen“. Da das Abbinden mit Wasser funktioniert, kann
er sogar unter Wasser abbinden -was besonders beim Brückenbau in Flüssen von großer
Bedeutung ist.
Diese Verfestigung tritt auch noch ein, wenn die 6-8 fache Menge Sand und Kies zugefügt
werden. Eine solche Mischung bezeichnet man als Beton. (Stahlbeton mit Stahlstäben).
13
14
344
http://de.wikipedia.org/wiki/Kalziumcarbonat
http://de.wikipedia.org/wiki/Technischer%20Kalkkreislauf
Kalk - ein besonderes Salz
Abb. 135
Herstellung von Zement und Beton
Zusatzinformationen:
w:Zement_%28Baustoﬀ%2915
15
http://de.wikipedia.org/wiki/Zement_%2528Baustoff%2529
345
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
12.28 Wiederholungsfragen Ionen
12.28.1 Ionen & Salze
Cl
Br
O
SO3
Li
Ba
Mg
Al
1. Bestimme die Ionenladung der Ionen in der Tabelle rechts und erstelle die Summenformel, welche sie im entsprechenden Salzkristall haben:
2. Nenne typische Eigenschaften von Salzen!
3. Was ist ein Ion?
4. Nenne verschiedene Möglichkeiten Natriumchlorid zu bilden. Schlage jeweils einen
geeigneten Aufbau vor.
5. Nenne die Regeln, nach denen man die Ionenladung eines Ions bestimmen kann.
6. Beschreibe den Versuch zur Ionenwanderung. Welche Beobachtung kann man bei Kupfersalzen, bei Kaliumpermanganat und bei Kaliumdichromat machen. Erkläre diese
Beobachtungen!
7. Beschreibe den Versuchsaufbau der Elektrolyse von Kupferchlorid. Welche Beobachtungen kann man machen? Erkläre diese.
8. Betrachte die Bildung von Natriumchlorid unter energetischem Aspekt im Detail.
Welche Einzelschritte laufen ab?
9. Sind diese Endo- oder Exotherm? Versuche dies jeweils anhand einer Modellvorstellung zu erklären.
10. Warum ist die Reaktion insgesamt Exotherm?
11. Deﬁniere die Begriﬀe Ionisierungsenergie und Elektroaﬃnitätsenergie.
12. Warum hat Natriumchlorid die Summenformel NaCl?
13. Was versteht man unter dem Begriﬀ „Koordinationszahl“?
14. Wovon hängt die Koordinationszahl ab?
15. Nenne und erkläre die Coulomb’sche Formel!
16. Erkläre den Vorgang des Schmelzens. Wovon ist der Schmelzpunkt abhängig?
17. Warum leiten Ionen den elektrischen Strom? Beschreibe einen entsprechenden Versuch!
18. Welche Ionen sind in Natriumchlorid zu ﬁnden? Welche in Berylliumsulfat?
19. Ionen entstehen durch...
20. Ionen unterschieden sich von Atomen durch...
21. Beschreibe den Aufbau der Salze. Nenne Möglichkeiten sie chemisch zu bilden.
22. Welche Eigenschaften haben Ionen?
23. Wie bestimmt man die Ladung eines Säurerestes? Welche Ladung hat der Säurerest
der Chromsäure H2 Cr2 O7 und der Kieselsäure H2 SiO3 ?
24. Welche Voraussetzungen müssen gegeben sein, damit Ionen den Strom leiten?
25. Stelle die folgende Reaktionsgleichungen auf: (Tipp: Bilde Ionen aus der Schwefelsäure)
a) Schwefelsäure + Wasser
b) Schwefelsäure + Magnesium
346
Wiederholungsfragen Ionen
26. Bestimme die Ionenladung der folgenden Ionen und erstelle die Summenformel, welche
sie im entsprechenden Salzkristall haben.
27. Wozu dienen Fällungsreaktionen? Nenne Beispiele!
28. Erkläre das allgemeine Prinzip eines Nachweises. Nenne mindestens 6 chemische Nachweise!
29. Erkläre den Begriﬀ Ionenbindung. Wodurch werden die Ionen zusammengehalten?
30. Warum hat Natriumchlorid die Summenformel NaCl? Wäre Na1000 Cl1000 nicht passender?
31. Erkläre den Vorgang des Schmelzens eines Salzes. Wovon ist der Schmelzpunkt abhängig?
12.28.2 Übungstest zum Thema „Salze und Ionen“ II
Ionenwanderung: in welche Richtung „laufen“ folgende Ionen:
3P)
Abb. 136
(1P + 2P Begr.⇒
Wohin wandern die Ionen?
Begründung:
Berechnung die molare Masse von Na und Na+ aus den Massen von Protonen,
Neutronen und Elektronen)
Nach einer Messung der Atom- und Ionenradien von Natrium und Chlor hat
man versehentlich die Daten vertauscht.
Kannst Du sie wieder zuordnen?
(Hinweis: Atomradius bzw. Ionenradius = Entfernung von der Atomkernmitte bis zur 95%
- „Grenze“ der Elektronenwolke) (Zuordnung je 0,5P; Begründung 4P ⇒ 6P)
347
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
Messung 1) 186 pm sowie 97 pm
a) Natriumatom: .........
b) Natriumion: .........
Messung 2) 180 pm sowie 181 pm
c) Chloratom: .........
d) Chloridion: .........
Begründe Deine Meinung:
Abb. 137
Versuchsaufbau Leitfähigkeit von Lösungen
Summe:
12.29 Energiebilanz der Salzbildung
Die Salzbildung ist immer exotherm. Eine besonders exotherme Reaktion ist die Bildung
von Natriumchlorid:
Versuchsbeschreibung
Reaktion von Natrium und Chlor.
348
Energiebilanz der Salzbildung
Beobachtung
Es entsteht ein weißer Feststoﬀ. Die Reaktion ist stark exotherm.
Schlussfolgerung
Es ist Natriumchlorid entstanden. Große Energiemengen wurden frei.
349
Na
Cl2 + 2 e-
−→
−→
Na+ + e2 Cl-
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
350
Teilschritte der NaCl - Bildung
---- 2 Na + Cl2
−→
2 NaCl + E
12.30 Teilschritte der NaCl - Bildung
Die Bildung von NaCl läuft in mehreren Schritten ab. Um die Heftigkeit der Reaktion besser
zu verstehen, zerlegen wir sie mal in Einzelschritte:
Welche Teilschritte müssen ablaufen, damit Natrium und Chlor zu Natriumchlorid reagieren?
12.30.1 1a) Na −→ Na+
(1) Sublimation:
(festes) Natrium(s) wird zu (gasförmigem) Natrium(g) .
Dazu wird Energie benötigt
⇒ dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler:
Vorlage: Merksatz
Deﬁnition
(2) Ionisierung:
Natrium(g) wird unter Elektronenabgabe zum Na+ -Ion
Dazu wird Energie benötigt
⇒ dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler:
Vorlage: Merksatz
Deﬁnition
12.30.2 1b) ½ Cl2 −→ Cl(1) Dissoziation:
Chlor wird in zwei Atome gespalten (Cl2 → Cl + Cl)
Dazu wird Energie benötigt
⇒ dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler:
Vorlage: Merksatz
Deﬁnition
(2) Elektronenafﬁnität:
Das Chloratom wird unter Elektronenaufnahme zum
Chloridion
Dabei wird Energie frei
⇒ dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler:
Vorlage: Merksatz
Deﬁnition
351
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
12.30.3 2) Gitterbildung
Deﬁnition
Abb. 138
Energien, die bei der Bildung von NaCl frei werden
Die Verbindung der Ionen zu einem stabilen Verband/ Gitter setzt eine hohe Gitterenergie
frei. Die freiwerdende Gitterenergie beruht auf der starken Anziehungskraft zwischen den
entgegengesetzt geladenen Ionen. Die „Triebkraft“ der Salzbildung ist also hohe freiwerdende Gitterenergie nicht das Erreichen des Edelgaszustandes16 .
Den Zusammenhang kann man sich durch folgende Anschauung verdeutlichen. Um zwei
Magneten zu trennen, benötigt man Energie. Fügt man sie wieder zusammen, wird genau
diese Energie wieder frei.
12.30.4 Vorzeichen der beteiligten Energien:
Sublimation:
Ionisierung:
16
352
Endotherm, da ein fester Zusammenhalt gelöste werden
muss
Endotherm, da dem Natriumatom ein Elektron „genommen“ wird
Die Edelgasregel ist allerdings ein geeignetes Hilfsmittel bei der Aufstellung der Ionen die an der Salzbildung beteiligt sind.
Teilschritte der NaCl - Bildung
dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler: Vorlage:
Merksatz
Deﬁnition
Dissoziation:
Elektronenaufnahme:
Endotherm, da die beiden Atome des Moleküls „getrennt“
werden
Exotherm, da Elektronen zugefügt werden.
Ist eigentlich logisch, denn wenn die Ionisierung endotherm
ist, dann muss der gegenteilige Prozess exotherm sein!
dhunparserurl Anorganische Chemie für Schüler: Vorlage:
Merksatz
Deﬁnition
12.30.5 Gesamtbildungsenergie
353
Na(s)
Na(g)
½ Cl2
Cl + eNa+ + Cl-
−→
−→
−→
−→
−→
Na(g)
Na+ + eCl
ClNa+ Cl-
ΔHs
ΔI
ΔHB
ΔHEA
ΔHG
=
=
=
=
=
kJ
+109 mol
kJ
+502 mol
kJ
+121 mol
kJ
−365 mol
kJ
−778 mol
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
354
Die Bildung von Zinksulﬁd in Teilschritten
---Na + ½ Cl2
−→
Na+ Cl- (s)
−411
ΔHR =
kJ
mol
12.30.6 Berechnung der Bildungsenergie von NaCl:
Deﬁnition
Deﬁnition
Deﬁnition
12.30.7 Größe der Gitterenergie
Die Gitterenergie ist umso grösser, je kleiner die Ionen und je höher deren Ladung ist.
12.31 Die Bildung von Zinksulﬁd in Teilschritten
12.31.1 Die Bildung von Atomen
355
Zn
S
(fest, Atomverband)
(fest, Atomverband)
→
→
Zn (gasförmig)
S (gasförmig)
Sublimationsenthalpie
Sublimationsenthalpie
(> 0)
(> 0)
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
356
Die Bildung von Zinksulﬁd in Teilschritten
[Wiederholung: Dissoziationsenthalpie Cl2 −→ Cl]
12.31.2 Die Bildung von Ionen
357
Zn
S
+ 2 e-
−→
−→
Zn2+
S2-
+ 2 eIonisierungsenergie
Elektronenaﬃnität
(< 0)
(> 0)
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
358
Die Bildung von Zinksulﬁd in Teilschritten
12.31.3 Die Bildung des Ionengitters
359
Zn2+
+
S2-
−→
Zn2+ S2-
Gitterenergie
(<< 0!)
Ionen, Salze, Fällungsreaktionen und Ionenbindung
360
13 Chemisches Rechnen (Stöchiometrie)
13.1 Die Masse von Atomen und Molekülen
Kannst Du Dich noch an das Gesetz der vielfachen Massenverhältnisse erinnern? Wenn
nicht, wiederhole kurz das entsprechende Kapitel.
Was sagen die beiden Formeln aus?
FeS (Eisensulﬁd)
: 1 Atom Eisen hat mit einem Atom Schwefel reagiert; also besteht
das Molekül aus einem Eisen-Atom und
einem Schwefel-Atom.
FeS2 (Eisendisulﬁd) : 1 Atom Eisen hat mit zwei Atomen Schwefel reagiert; also besteht
das Molekül aus einem Eisen-Atom und
zwei Schwefel-Atomen.
Deﬁnition
Der Index gibt das Zahlenverhältnis der Atome in der Formel zueinander an. Die Masse
steht immer im Verhältnis zur Anzahl der Atome, da diese nicht teilbar sind!
→ In 7 g Fe sind genauso viele Atome wie in 4 g Schwefel.
Da in der Natur aber nun mal nur sehr selten einzelne Atome vorkommen, sondern in der
Regel sehr viele auf einem Haufen, benötigt man zum praktischen Umgang mit Atomen ein
neues Hilfsmittel. Nämlich
13.1.1 A) Die Zahl von Avogadro:
Der Chemiker Avogadro1 benötigte eine Zahl, um große Mengen von Atomen beschreiben
zu können und um schließlich damit auch „vernünftig“ rechnen zu können.
Er legte fest:
{Deﬁnition|1 mol eines Stoﬀs entspricht genau 6,022•1023 Atomen (=602 200 000 000 000
000 000 000 Atomen2 ) }}
1
2
Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (1778 - 1856) studierte zunächst Jura, er stammte aus einer
Juristenfamilie. 1796 wurde er Doktor des kanonischen Rechts. Seit 1800 studierte er Mathematik und
Physik, was seinen Neigungen eher entsprach. 1809 wurde er Professor für Naturphilosophie am Liceo
Vercelli in Turin. Hier erarbeitete er seine Molekularhypothese.
Das entspricht 6 Milliarden · 1Milliarde · 10000
361
Chemisches Rechnen (Stöchiometrie)
Bezieht man diese Zahl auf eine bestimme Anzahl an Atomen, spricht man auch von der
Stoﬀmenge „n“. Denn oft ist es nötig zu wissen, wie viele Teilchen in einer Stoﬀportion sind.
Aber die Teilchenmengen sind zum Abzählen viel zu groß.
Deﬁnition
1 mol ist die Stoﬀportion, in der 6,022 · 1023 Teilchen enthalten sind. Die Stoﬀmenge
wird mit dem Buchstaben „n“ als Größe angegeben. Ihre Einheit ist [mol].
Zusatzinfos
w:Stoﬀmenge3 w:Avogadro4
Wie wird die Avogadro-Zahl berechnet? Wie wir wissen, wird die Atommasse in „units“
angegeben. Das hilft, auszurechnen, wie viel Atome in 12 g Kohlenstoﬀ enthalten sind.
gegeben: 1u entspricht 1/12 C-Atom ⇒ 1 C-Atom entspricht 12u
ma (C) = 12u
gesucht: n(C)
Lösung: n(C) =
12g·u
12u·1,6605·10−24 g
=
1
1,6605·10−24
= 6, 022 · 1023
Aufgaben:
1. Wie viele Moleküle sind in 1,8 mol Wasserstoﬀ enthalten?
2. Wie viel mol Wasserstoﬀ entsprechen 1 Billion Moleküle (1012 )
13.1.2 B) Die Atommasse:
Als Chemiker will man natürlich dann auch wissen, was denn jetzt eigentlich so ein Atom
wiegt.
z. B.: ein Cu-Blech wiegt 63,546g.
Eine Messung ergibt, es enthält genau 6, 022 · 1023 Atome (=1 mol)
Wie viel wiegt jetzt ein Atom?
m(Cu−Atom) =
63, 546g
g
= 1, 055 · 10−22
6, 022 · 1023 Atom
Atom
Diese Zahl ist natürlich absolut unhandlich und viel zu klein, um damit zu rechnen. Wir
machen es wie der Juwelier: Wir führen eine eigene Masseneinheit für Atome ein. Die Chemiker haben lange gerätselt, wie sie diese neue Einheit nennen können und benannten sie
schließlich mit dem englischen Wort für Einheit „unit“.
3
4
362
http://de.wikipedia.org/wiki/Stoffmenge
http://de.wikipedia.org/wiki/Avogadro
Die Masse von Atomen und Molekülen
Deﬁnition
Die Einheit der Atommasse ist „unit“. Im PSE sind die Massen der Atome in units (u)
angegeben.
Während Dalton noch alle Massen im PSE auf das Gas Wasserstoﬀ bezog, bezieht man
heute alle Massen der Elemente auf den Kohlenstoﬀ. Er ist fest und lässt sich leicht
wiegen. Es wurde auf 12u festgesetzt.
Wie viel g sind jetzt ein u?
1u =
1
der Masse des Kohlenstoﬀatoms
12
⇒1u = 1, 6605 · 10−24 g
13.1.3 C) Die molare Masse
Sicher hast Du Dich nun schon gefragt, woher Chemiker überhaupt wissen, wie viele Atome
z. B. in einem Stück Kohle enthalten sind?5 Vielleicht hilft Dir ein Vergleich, um auf die
Lösung zu kommen:
Impuls:
Wie kann man bestimmen, wie viele (gleiche) Centmünzen in einer Streichholzschachtel
sind, ohne diese zu öﬀnen oder die Cent einzeln abzuzählen?
Richtig, man kann sie wiegen! Wenn Du die Masse einer Münze kennst, kannst Du leicht
die Anzahl in der Streichholzschachtel durch Division bestimmen:
Anzahl Münzen = Masse aller Münzen / Masse einer Münze
⇒Zusammenhang zwischen Masse und (Stoﬀ-)Menge:
Wenn 1 Cent 2g wiegt und die Schachtel mit allen Centmünzen 18g wiegt, dann sind 9
Münzen in der Schachtel.
X = Anzahl an Münzen
18g =
2g
1Cent
⇒X =
∗X
18g∗1Cent
2g
= 9 Centmünzen
Beziehen wir das nun auf die Massen von Atomen:
Man hat also 12 g Kohlenstoﬀ, (z. B. ein kleines Stück Kohle). Man kennt die Masse und
möchte wissen, wie viele Atome es sind.
5
Kleines Gedankenexperiment: Wenn alle Menschen der Erde gleichzeitig die Atome von nur einem mol
Kohlenstoﬀ zählen würden und pro Sekunde 4 Teilchen zählten, so würden sie ca. 1 Million Jahre brauchen!
363
Chemisches Rechnen (Stöchiometrie)
M = molare Masse
[
g ]
mol
(=Umrechnungsfaktor zwischen Masse und Stoﬀmenge6 )
m = Masse in g
n = Stoﬀmenge (also Anzahl an Atomen in mol)
m=M·n
⇒
n = m/ M
Deﬁnition
Der Zahlenwert der molaren Masse kann leicht aus dem PSE abgelesen werden.
Er entspricht dem Wert der Atom- (bzw. Molekül-) Masse:
g
⇒ 1 mol Kohlenstoﬀ hat die molare Masse 12, 001 mol
⇒ 12,001 g C entsprechen 1 mol
⇒ 1 mol = 6,022•1023 Atome (=602 200 000 000 000 000 000 000 Atome Kohlenstoﬀ sind
enthalten!)
Hat man also von einem beliebigen Stoﬀ die Stoﬀmenge 1 mol, enthält diese immer 6,022
· 10²³ Teilchen. Der Stoﬀmenge 1 mol eines Elements (in atomarer Form) entspricht also
immer die Atommasse dieses Elements in "Gramm" (Molare Masse):
1 mol H-Atome wiegen 1
g
1 mol O-Atome wiegen
16 g
1 mol Cu-Atome wiegen
63,5 g
(
(
(
M =1
M = 16
g )
mol
g )
mol
g
M = 63, 5 mol
)
(1 H-Atom wiegt 1 u)
(1 O-Atom wiegt 16 u)
(1 Cu-Atom wiegt 63,5 u)
usw.
Auch für Verbindungen kann die Molare Masse angegeben werden. Sie ergibt sich einfach
durch Addieren der Atommassen der Elemente, die in einer Verbindung enthalten sind,
z. B.: Bestimme die relative Molekülmasse von Wasser (von Traubenzucker)
M(H2 O) = 2 · 1,008u + 16u = 18,016u
g
g
M(C6 H12 O6 ) = 6 M(C) + 12 M(H) + 6 M(O) = (6 · 12 + 12 · 1 + 6 · 16) mol
= 180 mol
Zusatzinfos:
w:Molare Masse7 w:Mol (Stoﬀmenge)8
6
7
8
364
entspricht der Masse eines Centstücks im oberen Bsp.
http://de.wikipedia.org/wiki/Molare%20Masse
http://de.wikipedia.org/wiki/Mol%20%28Stoffmenge%29
Die Masse von Atomen und Molekülen
Aufgaben:
1. Wie groß ist die molare Masse von: C, H, O, H2 O, HCl, H3 PO4 , C8 H14 ?
2. Du kennst nun die Anzahl an Atomen in einem 12 g schweren Kohlenstoﬀstückchen,
aber wie viele Atome sind in einem doppelt so schweren Kohlestückchen enthalten?
Notiere die Zahl ;-)
3. Wie viel Moleküle sind in 100 g Zucker (C6 H12 O6 ) enthalten?
4. Welche Stoﬀmenge ist in einer mit Wasser gefüllten Badewanne (200 l) enthalten?
g
(Dichte von Wasser: ρ = 1 ml
)
5. Beﬁnden sich mehr Atome in 150 g Gold oder in 1 kg Aluminium?
13.1.4 Wiederholung des Kapitels Dichte (v. Klasse 8)
Wie kann man zwei Körper unterschiedlicher Form hinsichtlich ihres Gewichtes vergleichen?
- gar nicht! Man muss dass Volumen mit in Betracht ziehen, sonst könnte man denken, Kohle
sei schwerer als Blei, nur weil man ein großes Stück Kohlenstoﬀ mit einem kleinen Bleiwürfel
vergleicht.
Bestimmung der Dichte:
Ein Körper (z. B. ein Al-Stückchen) wird gewogen und sein Volumen bestimmt. (Durch
Ansteigen von Flüssigkeit in einem Standzylinder.)
Deﬁnition
Die Dichte (Formelzeichen: ρ (griechisch: rho)), ist das Verhältnis der Masse (m) eines
Körpers zu seinem Volumen (V). Die Dichte ist eine Stoﬀeigenschaft.
ρ = m/V
Die SI-Einheit der Dichte ist
kg
.
m3
Oft ist die Dichte noch in
g
cm3
angegeben.
Durch Wiegen und Verdrängung von Wasser im Messzylinder kann die Dichte dabei leicht
bestimmt werden. Es gilt 1l entspricht 1000cm3 . Manchmal wird die Dichte auch als speziﬁsches Gewicht bezeichnet. 9
Einige Dichten bei Normaldruck in der vorgeschriebenen SI-Einheit, sortiert
nach ihrer Größe
Stoﬀ
Iridium
9
Dichte in kg/m3
22.650
Die Dichte sollte aber nicht mit dem speziﬁschen Gewicht verwechselt werden; dieses ist zwar proportional
zur Dichte, unterscheidet sich aber in einem Punkt: Die Dichte ist das Verhältnis Masse zu Volumen und
das speziﬁsche Gewicht das Verhältnis Gewichtskraft zu Volumen. Masse und Gewicht sind unterschiedliche
physikalische Größen, werden aber gerne verwechselt, weil das Gewicht in der veralteten Krafteinheit kp
ˆ{http://de.wikipedia.org/wiki/Kilopond} annähernd den gleichen Zahlenwert hatte.
365
Chemisches Rechnen (Stöchiometrie)
Osmium
Platin
Gold
Wolfram
Uran
Quecksilber
Rhodium
Palladium
Blei
Silber
Wismut
Kupfer
Nickel
Konstantan
Kadmium
Bronze
Eisen
Zinn
Zink
Chrom
Antimon
Titan
Kohlenstoﬀ
Aluminium
Silizium
Schwefel
Phosphor
Beryllium
Magnesium
Meerwasser
Wasser (bei 3,98 °C)
Eis (bei 0 °C)
Alkohol
Benzin
Kalium
Zusatzinformationen
w:Dichte10
Umfangreiche Tabellen unter:
10
366
http://de.wikipedia.org/wiki/Dichte
22.610
21.450
19.320
19.250
18.050
13.595
12.400
12.000
11.340
10.490
9.800
8.950
8.900
8.800
8.600
8.000
7.860
7.280
7.130
6.920
6.700
4.500
3.510
2.700
2.330
2.070
1.823
1.800
1.733
1.025
1.000 (1000 kg/m3 = 1 kg/l oder 1 g/cm3
= 1 g/ml)
917,0 (0,917 g/cm3 )
790 (0,790 g/ml)
680
680
Avogadros Gasgesetz und seine Anwendung
Tabellensammlung Chemie/ Dichte fester Stoﬀe11
Tabellensammlung Chemie/ Dichte ﬂüssiger Stoﬀe12
Tabellensammlung Chemie/ Dichte gasförmiger Stoﬀe13
Aufgaben zum Thema Dichte
1. Kennst du das Märchen „Hans im Glück“, in dem Hans einen Goldklumpen geschenkt
bekommen hat, der so groß ist wie sein Kopf (Volumen etwa 4 dm³). Wie schwer war
der Goldklumpen eigentlich?
2. Du vergleichst je 1kg Benzin, Öl und Wasser in Messbecher eingefüllt. Welche Flüssigkeitsmenge ist jeweils enthalten?
3. Für eine Sporthalle soll ein Betonfundament mit der Fläche 20m • 60m mit der Dicke
von 80cm mit Beton ausgegossen werden. Wie groß ist die Masse des erforderlichen
Betons? (Dichte Beton = 2000 kg/m³)
4. Kann man 9 kg Quecksilber in eine 0,7l-Flasche füllen?
5. Eine Sprudelﬂasche ist mit 0,75l Wasser gefüllt und hat die Masse 1,40 kg. Welches
Volumen hat das Glas der Flasche (Glas hat eine Dichte von ca. 2,5 Kg/dm³)?
6. Ein Wassertransporter der Feuerwehr hat ein Fassungsvermögen von 10 000 l
(1l Wasser = 1 000 cm³) . Welches Gewicht hat das Fahrzeug?
13.2 Avogadros Gasgesetz und seine Anwendung
Der italienische Graf Amedeo Avogadro (1776-1856) war zugleich Physiker und Chemiker
und führte Untersuchungen mit Gasen durch. Ihn beschäftigte vor allem die Frage nach dem
Volumen von Gasen. Durch seine Forschungen gelangte er schließlich zu einem erstaunlichen
Gesetz:
13.2.1 Satz des Avogadro:
Deﬁnition
Verschiedene Gase haben bei gleichem Druck und gleicher Temperatur das gleiche Volumen und somit die gleiche Anzahl an Molekülen/ Atomen.
Mit diesem Wissen ausgestattet, stellte er weitere Forschungen an und bestimmte nun die
(relative) Atommasse von gasförmigen Elementen. Dies hatte wegen der schlechten Verfügbarkeit und der schwierigen Handhabbarkeit vor ihm noch niemand versucht.
11
12
13
http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung%20Chemie%2F%20Dichte%20fester%20Stoffe
http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung%20Chemie%2F%20Dichte%20fl%C3%BCssiger%
20Stoffe
http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung%20Chemie%2F%20Dichte%20gasf%C3%
B6rmiger%20Stoffe
367
Chemisches Rechnen (Stöchiometrie)
Er deﬁnierte die so genannte Avogadro-Konstante14 , nach der in einem Mol, die Anzahl
von genau 6,0221367 • 1023 Molekülen oder Atomen angibt. Heute spricht man auch von
„Stoﬀmenge“. Avogadros Forschungen waren grundlegend und wichtig, dennoch waren sie
zu seiner Zeit damals sehr umstritten. Heute weiß man, dass ein Mol einer Substanz stets
dieselbe Anzahl von Teilchen hat, unabhängig davon, ob sie fest, ﬂüssig oder gasförmig
vorliegt.
Zusatzinformation
w:Avogadro
15
13.2.2 Konsequenzen und Anwendung des Avogadros Gasgesetzes: Die
Chlorknallgas-Reaktion
1 L Wasserstoﬀgas [H2 ] enthält genau so viele Wasserstoﬀmoleküle, wie 1 L Chlorgas
Abb. 139
Gleichnung und Veranschaulichung der Chlorknallgas-Reaktion (Würfel)
Konsequenzen:
m(H)
Das bedeutet, dass das Massenverhältnis m(Cl)
sich durch einfaches Wägen der beiden Gasportionen und Dividieren der erhaltenen Ergebnisse durch den kleineren Massenwert ermitteln lässt:
14
15
368
Die Avogadro-Konstante wird in Gleichungen als NA angegeben, manchmal auch als L (Loschmidt-Zahl)
http://de.wikipedia.org/wiki/Avogadro%20
Avogadros Gasgesetz und seine Anwendung
m(H) = 1
m(Cl) = 35
⇒Ein Chloratom ist also 35mal so schwer wie ein Wasserstoﬀatom. So kann man die Atommassen relativ zueinander bestimmen:
M (H) =
1u
M (Cl) =
35u
1u
= 1, 661 · 10−24 g
Auf diesem Wege lassen sich die relativen Atommassen aller verdampfbaren Elemente ermitteln.
Anwendung:
Mit „units“ zu rechnen ist im Alltag allerdings nicht immer praktikabel, da nur wenige Menschen dies verstehen. Die gebräuchliche und auch im Laboralltag angewendete Masseneinheit
ist nicht das „unit“, sondern das „Gramm“. Ersetzt man also bei den Atommassenangaben
die Einheit „unit“ durch „Gramm“, so erhält man von jedem Element eine genaue Stoﬀmenge (n), die der Chemiker als 1 mol dieses Elements bezeichnet. Die dazugehörige Masse
g
.
wird als Molare Masse (M) bezeichnet und besitzt die Einheit mol
g
M (H) = 1, 0 mol
g
M (Cl) = 35, 5 mol
g
M (HCl) = 36, 5 mol
1 mol Chlorwasserstoﬀgas hat eine Masse von 36,5g
13.2.3 Die Stoﬀmenge „n“
Oft ist es nötig zu wissen, wie viele Teilchen in einer Stoﬀportion sind. Aber die Teilchenmengen sind zum Abzählen viel zu groß. Wie wir nun wissen, wird die Atommasse in „units“
angegeben.
Wie viel Atome sind in 12 g Kohlenstoﬀ enthalten?
geg. : 1u entspricht 1/12 C-Atom
1 C-Atom entspricht 12u: ma (C) = 12u
ges. :
N (C) =
12g
−24 g
12u· 1,6605·10
u
=
1
1,6605·10−24 g
= 6, 022 · 1023 (Die Avogadro − Zahl)
Deﬁnition
1 mol ist die Stoﬀportion in der 6,022 • 10²³ Teilchen enthalten sind. Die Stoﬀmenge
wird mit dem Buchstaben n als Größe angegeben. Ihre Einheit ist [mol]
369
Chemisches Rechnen (Stöchiometrie)
Zusatzinfos:
w:Stoﬀmenge16
Aufgaben:
1. Wie viele Moleküle sind in 1,8 mol Wasserstoﬀ enthalten?
2. Wie viel mol Wasserstoﬀ entsprechen 1 Billion Moleküle (1012 )
13.2.4 Molares Volumen Vm
Nun müssen nur noch die Regeln für Gase aufgestellt werden, dann hast Du bereits alles
wichtiges gelernt. Bei Gasen gab es ja eine Besonderheit, die Avogadro entdeckt hatte.
Stell Dir vor: Ein Gas nimmt bei 0°C und 1013 hPa ein Volumen von 1,4 l ein. Könnte
man die vorhandene Stoﬀmenge bestimmen, obwohl man nicht weiß welches Gas vorliegt?
(Vergleich: zwei gefüllte Luftballons)
Die Frage, die sich stellt:
Gibt es einen Umrechnungsfaktor zwischen Volumen und Stoﬀmenge? Bedenke:Wenn gleiche Volumen verschiedener Gase unter gleichem Druck und gleicher Temperatur
immer die gleiche Anzahl von Teilchen
enthalten (Gesetz des Avogadro), so besitzt doch dieStoﬀmenge 1 mol aller Gase
unter gleichen Bedingungen immer das
gleiche Volumen, oder?
Deﬁnition
→ Bei gleichem Volumen ist unabhängig vom Gas immer die gleiche Stoﬀmenge vorhanden.
Nur welche Stoﬀmenge ist dies? es gilt:
Veines Gases
V
⇒V = n ∗ 22, 4
˜
=
n
n * VM 17
l
mol
Im Falle n = 10 l gilt:
⇒n =
16
17
370
10l∗mol
22,4l
= 0, 45mol
http://de.wikipedia.org/wiki/Stoffmenge
l
molare Volumen in mol
Avogadros Gasgesetz und seine Anwendung
Deﬁnition
Das molare Volumen ist ein Umrechnungsfaktor zwischen Stoﬀmenge und Volumen. Für
l
Gasea hat es bei Normalbedingungen (0°C und 1013 hPa) immer den Wert 22, 4 mol
.
l
→ Das Molare Volumen VM ist für Gase eine unveränderbare Konstante: Vm = 22, 4 mol
→ 22,4 l eines beliebigen Gases enthalten 1mol Teilchen.
a
bei Flüssigkeiten ist der Wert stoﬀspeziﬁsch
Beachte:
der genaue Wert gilt nach Avogadro nur für Normalbedingungen:
l
Molare Volumen bei Normalbedingungen (0°C (=273K); 1013,25 hPa) = 22, 413996 mol
Im Labor sind allerdings höhere Temperaturen üblich, deshalb rechnet man hier
oft mit den angepassten Standardbedingungen:
l
Molare Volumen bei Standardbedingungen (25°C (=298K), 1013,25 hPa) = 24, 4640424 mol
Für die im Alltag üblicheren Temperaturen (bei gleichem Druck) gilt:
l
bei 20°C: Vm = 22, 1 mol
l
bei 25°C: Vm = 24, 7897 mol
Zusatzinformationen:
w:Molares Volumen18
13.2.5 Übersicht zum Rechnen mit molaren Größen
Symbole und Einheiten
Größe
Stoﬀmenge
Masse
Atommasse
Molare Masse
Volumen
Molares Volumen
Avogadrozahl
Stoﬀmengenkonzentration
18
Symbol
n
m
m
M
V
VM
NA
c
Einheit
mol
g
u
g
mol
l
l/mol
mol-1
mol
l
http://de.wikipedia.org/wiki/Molares%20Volumen
371
Chemisches Rechnen (Stöchiometrie)
Zusammenhänge
Stoﬀmenge (n) und Molare Masse (M ):
n(mol) =
m
M
⇒ m = n·M
⇒ n=
m
M
Stoﬀmenge (n) und molares Volumen (V M ):
VM =
V
n
⇒ n=
V
VM
⇒ V = VM · n
Stoﬀmenge (n) und Konzentration (c):
⇒c =
n
VLoesung
Dichte: ρ =
m
V
⇒ ρ·V = m
Molare Masse und molares Volumen:
⇒
m
M
=
Vm
V
Bzw. n · M = ρ · V
Welche Informationen liefert eine Reaktionsgleichung?
Wenn wir jetzt alles aus diesem Kapitel zusammenfassen, dann lässt sich nun viel mehr aus
einer Reaktionsgleichung ablesen:
372
Reaktionsgleichung:
Qualitative
Aussage:
Quantitative Aussagen:
Volumen (bei
Gasen):
Masse:
Mengen:
+
+
+
+
+
Wasser
−→
2 Molekuele H2 O
2 mol H2 O
2 · 18u
2 · 18g
2 · 22, 4l
2 H2 O
−→
2 Molekuele H2 −→
2 mol H2
−→
2 · 2u
−→
2 · 2g
−→
2 · 22, 4l
−→
Wasserstoﬀ
+
Sauerstoﬀ
1 Molekuel O2
1 mol O2
1 · 32u
1 · 32g
1 · 22, 4l
2H2
+
O2
Avogadros Gasgesetz und seine Anwendung
373
Chemisches Rechnen (Stöchiometrie)
Hinweis:
Die Reaktionsenthalpie-Angabe ermöglicht Aussage zu Energiebeteiligung.
∆E(Knallgasreaktion) = −286kJ exothermeReaktion
Aufgaben:
Welche Aussagen treﬀen folgende Reaktionsgleichungen
N2 + 3H2 + E → 2NH3
CH4 + 3O2 → CO2 + 2H2 O + E
4Fe + 3O2 → 2Fe2 O3 + E
13.3 Die Reaktion von Magnesium mit Salzsäure
Versuchsbeschreibung
In einem Reagenzglas mit seitlichem Auslassrohr bzw. einem mit durchbohrtem Stopfen
werden 0,100kg Mg gefüllt und mit ca. 5cm HCl
überschichtet. Das Reagenzglas wird sofort verschlossen und das Gas (vorsichtig) mit
einem Kolbenprober aufgefangen. Die Gasmenge wird
bestimmt und anschließend berechnet, ob man das komplette Gas aufgefangen hat.
Abb. 140 Versuchaufbau der Gasbildungsermittlung bei der Reaktion von Magnesium
und Salzsäure
374
Die Reaktion von Magnesium mit Salzsäure
Beobachtung
Das Gemisch wird warm, ein Gas bildet sich, es entstehen ...ml Gas
Schlussfolgerung
Magnesium reagiert unter Wärmebildung mit Salzsäure. Die entstehende Wärme erwärmt
die Flüssigkeit.
Magnesium + Salzsäure −→ Magnesiumchlorid + Wasserstoﬀ + E
Mg + 2HCl
−→
MgCl2 + H2 + E
Berechnung: Wie viel ml Wasserstoﬀ müssten theoretisch entstehen?
gesucht: V(H2 ) = ?
l
gegeben: V m = 22, 4 mol
⇒ die Berechnung mit V = Vm · n ist nicht möglich, da n nicht
gegeben ist.
Aus den Aussagen der Reaktionsgleichung folgt aber, dass die Stoﬀmengen der Ausgangsstoﬀe und die Stoﬀmengen der Produkte miteinander im angegebenen Verhältnis stehen.
Das heißt:
1 mol Mg + 2 mol HCl
bzw. n mol Mg + 2n mol HCl
−→
−→
1 mol MgCl2 + 1 mol
H2
n mol MgCl2 + n mol
H2
Mit anderen Worten, wenn man die Stoﬀmenge von Mg kennt, dann weiß man auch die
Stoﬀmenge des entstehenden H2 .
m(Mg) = 0,100g M(Mg) = 24,305g/mol n(Mg) = gesucht = n(H2 )
= 0, 0041molM gbzwH2
n= m/M ⇒
0,100g∗mol
24,305g
Dieser Wert wird nun in die erste Gleichung eingesetzt und man erhält: V = Vm · n =
22, 413 mol
l · 0,0041mol = 0,0922l (= 92,2ml) H2 entstehen tatsächlich
375
14 Die Atombindung (auch
Elektronenpaarbindung oder
kovalente Bindung)
14.1 Wiederholung der Grundlagen
Erinnerst Du Dich an die Eigenschaften und Besonderheiten von Säuren und Laugen? Hier
noch mal eine kurze Wiederholung, wenn Du Dich nicht mehr erinnerst, dann lese doch
noch mal das Kapitel Säuren und Laugen1 .
• Säuren und Laugen ätzen
• sie werden durch Indikatoren für uns erkenntlich gemacht.
• meist verwendet man Universalindikator. Er zeigt bei Säuren die Farbe rot, bei neutralen
Lösungen grün und bei Laugen blau.
• Säuren greifen v.a. unedle Metalle an, Laugen greifen v.a. organische Substanzen an.
• Natronlauge und Kalilauge liegen als Feststoﬀ vor und müssen vor dem Gebrauch erst
aufgelöst werden.
• Säuren und Laugen sind „Gegenspieler“, die sich bei gleicher Konzentration in ihrer Wirkung aufheben. Diesen Vorgang nennt man Neutralisation.
• Säuren enthalten in ihrer Formel alle Wasserstoﬃonen (=Protonen), Laugen sind wässrige
Hydroxidlösungen (enthalten (OH)− )
Die wichtigsten Säuren und ihre Säurereste
Säure
HF
Fluorwasserstoﬀsäure
FHCl
Chlorwasserstoﬀsäure
Säurerest
Fluorid
Clorid
Cl-
HBr
Bromwasserstoﬀsäure
Bromid
Br-
HI
Iodwasserstoﬀsäure
Iodid
I-
1
Kapitel 4 auf Seite 61
377
Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)
Die wichtigsten Säuren und ihre Säurereste
Säure
H2 S
Schwefelwasserstoﬀ(säure)
S2-
HNO3
Salpetersäure
H2 SO4
Schwefelsäure
H2 CO3
Kohlensäure
Säurerest
Sulfid
Nitrat
(NO3 )Sulfat
(SO4 )2Carbonat
(CO3
H3 PO4
Phosphorsäure
HNO2
Salpetrigesäure
)2Phosphat
(PO4 )3-
Nitrit
(NO2
H2 SO3
H3 PO3
)-
Schwefeligesäure
Sulfit
(SO3 )2-
Phosphorigesäure
Phosphit
(PO3 )3-
Die wichtigsten Laugen
NaOH
KOH
Ca(OH)2
Lauge
Natronlauge
Kalilauge
Calciumlauge(=Kalkwasser)
Deﬁnition
Laugen sind wässrige Hydroxidlösungen
14.2 Weitere anorganische Säuren
378
→
→
→
→
+I
HClO
+III
HClO2
+V
HClO3
+VII
HClO4
Perchlorsäure
(=Chlor(VII)säure)
Chlorsäure
(=Chlor(V)-säure)
Chlorige Säure (=Chlor(III)säure)
Hypochlorige
Säure (=Chlor(I)säure)
→
H3 AsO4
Arsensäure
Perchlorat
H+ + (ClO4 )−
Chlorat
H+ +(ClO3 )−
Chlorit
H+ +(ClO2 )−
Hypochlorit
H+ + (ClO)−
3H+ + (AsO4 )3Arsenat
Hydrogensilikat
H+ + HSiO3 −
H2 SiO3
Kieselsäure
→
Säurerest
Säure
→
Säurerest
H+
+
SiO3 2−
Silikat
Weitere anorganische Säuren
379
Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)
14.3 Organische Säuren
Organische Säuren kommen in der Natur als Produkt von Tieren oder Pﬂanzen vor. Sie
unterscheiden sich in ihrem Aufbau, da sie nur aus Kohlenstoﬀ-, Wasserstoﬀ- und Sauerstoﬀatomen bestehen. Ihre Wirkung ist meist etwas schwächer. Einige werden sogar als
Lebensmittel eingesetzt. Ihre Formeln sind oft komplizierter:
Typische Säuren sind:
Säure
Essigsäure
Zitronensäure
Ameisensäure
Oxalsäure
Äpfelsäure
Ascorbinsäure (=Vit C)
Bernsteinsäure
Acetylsalicylsäure (=Aspirin)
Formel
C2 H4 O2
C6 O7 H8
CH2 O2
C2 H2 O4
C4 H6 O5
C6 H8 O6
C4 H6 O4
C9 H8 O4
Säurerest
Acetat
Citrat
Formiat
Oxalat
Malat
Ascorbat
Succinate
Acetyl-Salicylat
14.4 Formeln von einigen ausgewählten organischen Säuren
(Achtung: freie Elektronenpaare fehlen!)
Monocarbonsäuren: Ameisensäure, Essigsäure
Abb. 141
380
Strukturformel der Ameisensäure
Formeln von einigen ausgewählten organischen Säuren
Abb. 142
Strukturformel der Essigsäure
Dicarbonsäuren: Oxalsäure, Bernsteinsäure
Abb. 143
Strukturformel der Oxsalsäure
Abb. 144
Strukturformel der Bernsteinsäure
Hydroxycarbonsäuren: Äpfelsäure, Zitronensäure
381
Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)
Abb. 145
Strukturformel der Äpfelsäure
Abb. 146
Strukturformel der Zitronensäure
Zur Erinnerung: Der sechseckige Ring steht für eine zyklische Kohlenstoﬀverbindung mit
der Formel C6 H6 (Benzol/Benzen)
382
Formeln von einigen ausgewählten organischen Säuren
Abb. 147
verschiedene Strukturformeln des Benzols/Benzens
Säuren mit aromatischen Ring: Acetylsalicylsäure, Ascorbinsäure
Abb. 148
Strukturformel der Acetylsalicylsäure
383
Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)
Abb. 149
Keilstrichformel der Ascorbinsäure
14.5 Darstellung von Chlorwasserstoﬀ
Material: Gasentwicklungsapparatur, Thermometer, Leitfähigkeitsmessung
V1: Konz. H2 SO4 wird aus einem Tropftrichter auf feuchtes NaCl getropft.
V2: Das entstehende Produkt wird über einen Schlauch über eine Glaswanne gefüllt mit
Wasser geleitet. Die Stromstärke und der Säuregrad werden gemessen
Abb. 150
384
Versuchsaufbau
Die Protolyse
B1
Es bildet sich ein Gas
S1
HCl ist ein Gas! Säuren können in allen
Aggregatzuständen vorkommen
Bei der Bildung von HCl wird viel Energie frei
das Gefäß wird heiß
⇒
H2 SO4 + NaCl → HCl + Na2 SO4 + E
B2
Das Gas löst sich im Wasser
Universalindikator färbt sich rot
die Temperatur steigt
die Leitfähigkeit steigt
S2
HCl löst sich ausgesprochen gut in Wasser2 . Es ﬁndet eine Reaktion statt
es hat sich eine Säure gebildet
es liegt eine exotherme Reaktion vor
es bilden sich Ionen - Ursache muss eine
hetero-lytische (=ungleiche) Spaltung des
HCl in Ionen sein.
Wichtig:Wie kann man feststellen, welche Ionen in der Glasschale enthalten sind?
Man gibt Silbernitratlösung zu. Die Zugabe von AgNO3 zeigt eine weiße Trübung.
⇒ es sind Chloridionen enthalten, es bildet sich das schwerlösliche Salz Silberchlorid.
⇒HCl + H2 O → Cl− + ?
Welcher weiterer Stoﬀ kann entstanden sein?
14.6 Die Protolyse
Die Auﬂösung der Frage, welcher Stoﬀ bei der Reaktion von HCl mit H2 O entsteht ist nicht
so einfach, da ein neues, Dir bis jetzt unbekanntes Teilchen entsteht.
Was wissen wir aus der Vorstunde?
Cl - entsteht ⇒ H-Cl musste dazu gespalten worden sein:
2
507 Liter HCl pro Liter Wasser bei 0°C!
385
Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)
Abb. 151
Spalltung von HCl
Kurzzeitig entsteht also ein H+ und ein
Abb. 152
Elektronenpaarschreibweise von einem Cl-Ion
Aber wie kommt es zu dieser ungleichen (=heterolytischen) Spaltung des HCl?
386
Zweistuﬁge Protolyse von Schwefelsäure
HCl und H2 O sind Dipole. Das HCl - Wasserstoﬀatom wird also auch leicht vom H2 O Sauerstoﬀatom angezogen. Es kann den Bindungspartner wechseln.
Abb. 153
Bindungspartnerwechsel vom HCl zu H3O+
Der Sauerstoﬀ des Wasser ist partial negativ geladen. Er übt so eine Anziehungskraft auf
das Wasserstoﬀatom des HCl aus.
Man könnte vereinfacht sagen, das Sauerstoﬀatom des Wassers ﬂirtet mit dem H (der HCl),
welches in Versuchung geführt wird und seinen Partner verlässt.
Die Konsequenz ist, dass HCl heterolytisch getrennt wird. Dabei wird dem elektronegativeren Atom das Elektronenpaar zugeteilt.
Es entstehen H+ und Cl - . Auch das kann man sich vereinfacht vorstellen: bei der Trennung
von H und Cl bleibt das gemeinsame Eigentum (also die Elektronen) bei dem Verlassenen.
Deﬁnition
Deﬁnition
HCl ist also erst in Verbindung mit Wasser eine Säure. Säure ist demnach nicht eine Stoﬀeigenschaft, sondern erst das Ergebnis einer Reaktion, bei der Oxoniumionen3 entstehen..
Aufgabe:
Erstelle Gleichungen für die Protolyse von 8 Säuren!
14.7 Zweistuﬁge Protolyse von Schwefelsäure
w:Schwefelsäure4 w:Protolyse5 w:Phosphorsäure6
Versuchsbeschreibung
Die Leitfähigkeit von Schwefelsäure und Wasser wird einzeln gemessen. Nun wird vorsichtig
3
4
5
6
Oxonium wurde früher auch Hydroniumion genannt
http://de.wikipedia.org/wiki/Schwefels%C3%A4ure
http://de.wikipedia.org/wiki/Protolyse
http://de.wikipedia.org/wiki/Phosphors%C3%A4ure
387
Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)
etwas Wasser zur Schwefelsäure zugefügt. Die Leitfähigkeit wird gemessen und anschließend
ein Diagramm erstellt.
Beobachtung
Die Leitfähigkeit nimmt zu. Dies geschieht in 2 Stufen
S: Erst durch die Wasserzugabe ﬁndet eine Protolyse statt. Sie geschieht in zwei Schritten,
wie man am Leitfähigkeitsdiagramm sehen kann. Es bilden sich nacheinander die Ionen
Hydrogensulfat (HSO4 − ) und Sulfat (SO4 2− ).
Impuls: Schwefelsäure reagiert also in zwei Schritten zu Hydrogensulfat und Sulfat. Beide
Säurereste bilden als Feststoﬀ entsprechende Salze (z.B. NaHSO4 und Na2 SO4 )
Mit Phosphorsäure kann man sogar drei Salze bilden:
• NaH2 PO4
• Na2 HPO4
• Na3 PO4
14.8 Die Autoprotolyse des Wassers
Wasser reagiert mit sich selbst in geringem Maße zu Hydroxid- und Oxoniumionen.
H2 O + H2 O → H3 O+ + OH−
Allerdings ist in neutralem Wasser die Konzentration der Oxoniumionen nur 0,000.0001
mol/l [10-7 mol/l]. Dies erklärt auch die (wenn auch geringe) Leitfähigkeit von salzfreiem,
destilliertem Wasser (siehe dazu Versuch der Ionenleitfähigkeit)
14.9 Ist Ammoniak (NH3 ) eine Lauge?
Eine Messung des pH-Wertes von Ammoniak ergibt einen pH-Wert von ca. 13-14. Dies
entspricht dem pH-Wert einer konzentrierten Lauge. Laugen sind wässrige Lösungen von
Hydroxidionen (OH− ). Diese sind aber in Ammoniak nicht vorhanden!
388
Ist Natronlauge auch eine Base?
Abb. 154
Schema der OH− -Bildung
Ist NH3 eine Lauge, wenn es wie eine Lauge Indikatorpapier blau färbt, aber kein Hydroxid
enthält?
Schaut man sich die Reaktion mit Wasser an, kommt man auf die Lösung:
NH3 + H2 O → NH4 + + OH− +E
NH3 bildet mit Wasser Hydroxidionen. Es reagiert somit alkalisch. Es ist keine Lauge,
reagiert aber wie eine. Aus diesem Grunde wurde eine neue Deﬁnition notwendig. Da der
Begriﬀ Lauge aber schon vergeben war führten Chemiker den neuen Begriﬀ der Base ein.
Basen reagieren alkalisch. Alle Laugen sind auch Basen. Der Begriﬀ Base umfasst aber auch
hydroxidfreie Stoﬀe, wie Ammoniak, die alkalisch reagieren.
Die Deﬁnitionen lieferte der dänische Chemiker w:Johannes Nicolaus Brønsted7 (1879 1947):
Deﬁnition
14.10 Ist Natronlauge auch eine Base?
Die Reaktion von Natronlauge mit Salzsäure ist ja aus den letzten Kapiteln bekannt. Es ist
eine Neutralisation:
NaOH + HCl → NaCl + H2 O + E
Da es sich bei NaOH und NaCl um Ionen handelt, liegen diese freibeweglich in der Lösung
vor:
Na+ + OH− + HCl → Na+ + Cl− + H2 O + E
7
http://de.wikipedia.org/wiki/Johannes%20Nicolaus%20Br%C3%B8nsted
389
Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)
Wenn man diese Reaktion so betrachtet, sieht man, dass von NaOH eigentlich nur das
Hydroxid (=OH− ) reagiert hat:
OH− + H+ → H2 O + E
Deﬁnition
14.11 Säure-Base Reaktionen
w:Brönsted8 w:Svante Arrhenius9 w:Protonendonator10 w:Protonenakzeptor11 Schaut man
sich die Reaktion von Natronlauge mit Salzsäure genauer an und ordnet nun den Stoﬀen
die Begriﬀe Säure und Base zu, so erlebt man eine Überraschung:
8
9
10
11
390
http://de.wikipedia.org/wiki/Br%C3%B6nsted
http://de.wikipedia.org/wiki/Svante%20Arrhenius
http://de.wikipedia.org/wiki/Protonendonator
http://de.wikipedia.org/wiki/Protonenakzeptor
OH−
Base
+
HCl
Säure
→
Cl−
Base
+
H2 O
Säure
+
E
Säure-Base Reaktionen
391
Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)
Deﬁnition
z.B.:
OH− / H2 O
HCl / Cl−
Als Faustregel kann man sich dabei merken:
Deﬁnition
14.11.1 Die Neutralisation
Erinnere Dich:
• Durch Neutralisation kann eine Säure durch Lauge unschädlich gemacht werden (und
umgekehrt).
• Die ätzende Wirkung der Säure geht vom Wasserstoﬀ bzw. H3 O+ aus
• Die ätzende Wirkung der Lauge geht vom OH− (=Hydroxid) aus
⇒OH− muss durch H3 O+ unschädlich gemacht werden. Sie bilden H2 O. ⇒ bei einer Neutralisation entstehen immer ein Salz und Wasser.
14.11.2 Neutralisation von Salzsäure mit Natronlauge
Versuchsbeschreibung
Zu Natronlauge wird Universalindikator gegeben und dann tropfenweise Salzsäure hinzu
gegeben und dabei gut gerührt.
Beobachtung
Bei genügend Zugabe von Lauge verfärbt sich der Indikator. Es entsteht bei gutem experimentellem Geschick eine neutrale Lösung (grüne Farbe des Indikators)
S: In der Natronlauge liegen OH − und N a+ -Ionen vor. Hinzu kommen von der Salzsäure
H3 O+ und Cl− − Ionen. Je mehr man sich dem Neutralpunkt nähert, desto mehr Moleküle
H3 O+ und OH − reagieren zusammen und bilden Wasser.
Deﬁnition
Deﬁnition
Deﬁnition
392
Säure-Base Reaktionen
Aufgabe:
1. Wenn man nicht weiß, wie viele Teilchen der Säure vorhanden sind, kann man sie
durch die Anzahl der Teilchen an Base bestimmen. Woher weiß ich, wann genauso
viele Teilchen vorliegen?
14.11.3 Zweistuﬁge Neutralisation
Versuchsbeschreibung
Titration von Schwefelsäure mit Natronlauge (ganz und halb). Anschließend eindampfen
der neutralisierten Lösung und der halbneutralisierten Lösung. Vergleich der beiden Salze
nach Aussehen und Eigenschaften.
Beobachtung
Es entstehen zwei Salze, die sich etwas in ihrem Aussehen unterschieden.
S: Nach Zugabe der hälfte der Natronlauge entsteht v.a. Natriumhydrogensulfat (1. Stufe).
Nach Zugabe der kompletten Menge an Natronlauge ist Natriumsulfat entstanden (2. Stufe).
393
1. Stufe:
2. Stufe:
NaOH
NaOH
+
+
H2 SO4
NaHSO4
→
→
NaHSO4
Na2 SO4
Salz
+
+
+
H2 O
H2 O
Wasser
+
+
E
E
Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)
394
pH-Wert
Gesamtgleichung:
2 NaOH + H2 SO4 → Na2 SO4 + 2 H2 O + E
14.12 pH-Wert
In der 8. bzw. 9. Klasse hast Du gelernt, dass der pH-Wert den Säuregrad angibt. Er wurde
Dir als Messgröße mit den Werten 0-14 vorgestellt.
Deﬁnition
Deﬁnition
Deﬁnition
Nun weißt Du im Gegensatz zu damals aber schon wesentlich mehr über saure Wirkungen
von Salzen und weißt, dass die Oxoniumionen für die saure, ätzende Wirkung einer Säure
verantwortlich sind. Genau diese werden auch mit dem pH-Wert gemessen.
Deﬁnition
Um dies genau zu verstehen, musst Du allerdings wissen, was mit dem Begriﬀ „Konzentration“ gemeint ist.
14.12.1 A) Die Konzentration einer Lösung
Die Anzahl an Teilchen (=Stoﬀmenge) in einer Lösung wird üblicherweise in mol angegeben.
Um sie auf die jeweilige Flüssigkeitsmenge zu beziehen teilt man durch das Volumen:
c=
n
V
[ mol
l ]
14.12.2 Zur Wiederholung aus dem Matheunterricht:
Logarithmen dienen z.B. dazu, Exponenten auszurechnen.
395
1000
100
10
1
0,1
0,01
0,001
=
=
=
1
10
1
100
1
1000
=
=
=
1
101
1
102
1
103
=
=
=
=
=
=
=
103
102
101
100
10−1
10−2
10−3
⇒
⇒
⇒
⇒
⇒
⇒
⇒
lg103 = 3
lg102 = 2
lg101 = 1
lg100 = 0
lg10-1 = -1
lg10-2 = -2
lg10-3 = -3
Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)
396
pH-Wert
mol
+
Wenn also 1l HCl 0, 1 mol
l H3 O enthält, dann ist die Konzentration 0, 1 l
c=
n
V
=
0,1
1
= 0, 1 mol
l
⇒ der pH-Wert ist 1
Neutrales Wasser hat, bedingt durch die Autoprotolyse des Wassers, eine H3 O+ Konzentra− mol
tion von 0, 0000001 mol
l = 10 7 l
⇒ pH-Wert = 7
Kann man eigentlich sagen, wie viel mal geringer/ höher die Konzentration an
Protonen einer Lösung im Vergleich einer anderen ist?
Ja, denn von pH 1 zu pH 2 ändert sich die Konzentration von 0, 1 zu 0, 01 mol
l . Sie ist
also 10 mal geringer. Vergleicht man eine Lösung mit pH-Wert = 10 und eine Lösung mit
dem pH-Wert = 7, dann ist demzufolge die Konzentration um den Faktor 1000 höher!
Deﬁnition
14.12.3 C) Beziehung zwischen dem pH-Wert und dem pOH-Wert
Jetzt könnte man meinen, in Laugen wären keine freien Oxoniumionen vorhanden. Das ist
ein Irrtum. Es sind nur sehr wenige. In einer starken Natronlauge beﬁnden sich bei pH-Wert
+
13 nur 0, 00000000000001 mol
l H3 O .
In der hoch konzentrierten Lauge beﬁnden sich aber sehr viele Hydroxid (OH − ) Ionen. Es
gilt folgende Beziehung:
Deﬁnition
mol
+
−
⇒ wenn also der pH-Wert 13 beträgt sind 0, 00000000000001 mol
l H3 O und 0, 1 l OH
enthalten.
+
Mit anderen Worten: In neutralem Wasser liegen 10−7 mol
l H3 O vor.
⇒ pH-Wert ist 7 Wasser ist trotz der H3 O+ neutral, da die Konzentrationen cH3 O+ und cOH −
gleich sind (beide 10−7 mol
l ). Bei höheren Protonenkonzentration ist die Lösung dann sauer.
Bei geringeren ist sie alkalisch, da entsprechend die OH− Ionen Konzentration zunimmt.
14.12.4 D) Beispiele aus dem täglichen Leben
Zusatzinformationen
. Daraus ergibt sich
Konzentrierte Salzsäure HCl hat eine Konzentration von ca. 12 mol
l
folgende Verdünnungsreihe:
1000 ml HCl entspricht 12 mol HCl/l
500 ml HCl + 500 ml H2 O entsprechen 6 mol HCl/l
397
Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)
50 ml HCl + 950 ml H2 O entsprechen 0,6 mol HCl/l
5 ml HCl + 995 ml H2 O entsprechen 0,06 mol HCl/l
2,5 ml HCl + 997,5 ml H2 O entsprechen 0,03 mol HCl/l
Säuren und Basen im Alltag
Abb. 155
Hier einige Beispiele von pH-Werten bei Alltagsstoﬀen
398
5
4
3
2
1
0
pH-Wert
• Shampoo
• Sauerkraut
• Haut
• Zitronenlimonade
• Cola
• Batteriesäure
• Zitronensaft
• Essig
• Kalkreiniger
• HCL
• Magensäure
Beispiel
schwach sauer
sehr sauer
Säuregrad
13
12
11
10
9
8
pH-Wert
Nordseewasser
Seife
nasser Zement
Waschmittel
• Ammoniak
• Kernseife
• Abﬂuss-frei
•
•
•
•
Beispiel
stark
alkalisch
schwach
alkalisch
Säuregrad
pH-Wert
399
400
7
6
• Speichel
• Leitungswasser
• Darmmilieu
• O-Saft
• saure Milch
neutral
15
14
Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)
Titration einer Lauge mit Schwefelsäure
Warum ist Milchsäure auf der Haut so wichtig für Menschen?
Der Säureschutz der Haut besteht vor allem aus Harnsäure und Milchsäure. Er verhindert
das Eindringen und Wachsen von Bakterien, Viren und Pilzen auf der Haut, da diese in der
Regel keine Säure mögen und auch nicht dort wachsen können, wo schon viele Milchsäurebakterien wachsen. Häuﬁges Duschen, oder stark alkalische Seifen „schwächen“ allerdings
den Säureschutz.
Wie kommt es zu saurem Regen:
Durch Verbrennung fossiler Brennstoﬀe entstehen Nichtmetalloxidgase wie z.B. Stickoxide,
Kohlenstoﬀdioxid und Schwefeloxide.
z.B.:
2 NO + O2 → 2 NO2 + E
3 NO2 + H2 O → 2 H+ NO3 − + NO + E
NO + NO2 → 2 HNO2 + E
Diese Oxide reagieren mit Regenwasser zu Säuren:
z.B.:
2 NO2 + H2 O → HNO3 + HNO2 + E
14.13 Titration einer Lauge mit Schwefelsäure
Versuchsbeschreibung
Zu 20ml Barytwasser (kaltgesättigt!) wird verdünnte Schwefelsäure getropft (+Universalindikator). Die Leitfähigkeit wird gemessen. Wenn der Neutralpunkt erreicht ist (Farbumschlag), tropft man weiter hinzu!
401
Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)
Abb. 156
Versuchsaufbau einer Titration
Beobachtung
Die Leitfähigkeit der Lösung nimmt erst ab, dann zu.
Abb. 157
Beobachtung und graphische Auswertung einer Titration
Schlussfolgerung
402
Quantitative Neutralisation
1. Warum leitet Bariumhydroxidlösung den e- Strom?
• In wässriger Lösung zerfällt jedes Molekül Ba(OH)2 in drei Ionen: Ba2 + und 2 OH−
Diese transportieren die elektrischen Ladungen.
2. Warum verringert sich die Leitfähigkeit durch Zugabe von H2 SO4 ?
Ba2+ (OH)− 2 + 2H+ SO4 2− → 2 H2 O + Ba2 +SO4 2−
1. Ursache: Am Anfang liegen drei Ionen vor. Durch Zugabe von Schwefelsäure verringert
sich die Anzahl auf zwei, da zusätzlich Wasser gebildet wird, welche nicht aus Ionen
aufgebaut ist.
2. Ursache: Es bildet sich das schwerlösliche Salz BaSO4. Diese leitet nicht den Strom,
da es nicht gelöst vorliegt.
3. Warum ist die Leitfähigkeit am Neutralpunkt minimal?
Es liegen keine freibeweglichen Ionen vor
4. Warum nimmt die Leitfähigkeit dann wieder zu?
Die weitere Zugabe von H2 SO4 erhöht die Leitfähigkeit, da dessen Ionen den Strom leiten
2 H+ + SO4 2− + Ba2 + + 2 OH− → 2 H2 O + BaSO4
Schlussfolgerung
Es bildet sich das schwerlösliche Salz Bariumsulfat, dadurch sinkt die Leitfähigkeit anfangs. Die Protonen werden neutralisiert. Nach Erreichen des Neutralpunktes steigt die
Leitfähigkeit, da nun immer mehr Hydronium und Sulfationen hinzukommen, da verdünnte Schwefelsäure fast vollständig in Ionen zerfallen ist.
14.14 Quantitative Neutralisation
In der Chemie unterscheidet man zwischen qualitativen Verfahren, bei denen die Stoﬀe
an sich bestimmt werden, die an einer Reaktion teilnehmen, oder die dabei entstehen und
quantitativen Verfahren, bei denen die Stoﬀmenge von bekannten Stoﬀen bestimmt wird.
Um die quantitative Neutralisation zu verstehen, fragen wir uns, wie viel Natronlauge (Konzentration c = 0,1 mol/L) man zum Neutralisieren von 10ml HCl mit der Konzentration c
= 1 mol/L benötigt.
403
HCl:
404
Deﬁnition
c = Vn ⇒ dhunparserurl Anorganische
Chemie für Schüler: Vorlage: Merksatz
V = 10ml (=0,01l)
c = 1 mol/L
n=?
Die Stoﬀmenge n ist leichtzu berechnen:
NaOH:
V=?
c = 0,1 mol/L
n=?
Da wir nicht wissen welches VolumenNaOH benötigt wird, kann auch nichtdie Stoﬀmenge berechnet werden!
Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)
Titration einer Salzsäure unbekannter Konzentration
⇒ n = 1 mol/L · 0,01 l = 0,01mol
Nützt uns dieses Ergebnis, also die vorhandene Stoﬀmenge (=Anzahl an Säureteilchen,
Oxoniumionen) für HCl, um den Wert der Stoﬀmenge für Natronlauge zu bestimmen?
Ja sicher, denn bei der Neutralisation werden alle Oxoniumionen durch Hydroxid der Lauge
unschädlich gemacht. Es muss also gelten:
Deﬁnition
⇒ die Stoﬀmenge an Hydroxid (und somit auch an NaOH) ist auch 0,01mol
⇒ VNaOH =
n
c
=
0,01mol∗l
0,1mol
= 0, 1l
(= 100ml)
Damit nun alle Eventualitäten berechnet werden können (also auch z.B., welche Konzentration muss eine Lauge haben, damit genau 100ml verwendet werden), substituieren wir n
in der Gleichung durch c · V
Deﬁnition
Mit dieser Gleichung lassen sich durch Umstellen alle Fälle berechnen!
14.15 Titration einer Salzsäure unbekannter Konzentration
Versuchsbeschreibung
10 ml Salzsäure werden mit einer bestimmten Menge Natronlauge (c = 0,1 mol/L) neutralisiert.
HCl
NaOH
c in mol/L
x
0,1
V in L
0,1
0,1
Im Falle, dass alle Oxoniumionen der HCl mit allen Hydroxid der NaOH reagiert haben,
liegen genauso viele Teilchen HCl wie NaOH vor!
⇒ nHCl = nNaOH
n = c * V ⇒ c HCl * V HCl = cNaOH * VNaOH ⇒ c
HCl
=
cN aOH ∗VN aOH
VHCl
Deﬁnition
Überprüfe Dein Ergebnis durch eine Messung!
405
Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)
14.15.1 Aufgaben
1. Es sollen 10 mL Salzsäure (c = 0,01 mol/L) mit Kalkwasser neutralisiert werden.
(Kalkwasser ist eine wässrige Lösung von Calciumhydroxid)
a) Stelle die Reaktionsgleichung auf
b) Bestimme die notwendige Stoﬀmenge an Calciumhydroxid.
c) Zur Calciumhydroxid Herstellung liegt Calciumoxid vor. Wie stellt man aus Calciumoxid Calciumhydroxid dar? (Bedenke: Calciumoxid ist ein Metalloxid)
d) Stelle dazu die Reaktionsgleichung auf. Wie nennt man diesen Vorgang?
e) Welche Masse an Calciumoxid muss abgewogen werden, damit die notwendige
Stoﬀmenge an Calciumhydroxid vorliegt?
f) Neutralisiere die Säure indem Du tropfenweise Dein selbst hergestelltes Kalkwasser
hinzufügst. Füge einen Indikator zu und beobachte (In welcher Folge ändert sich die
Indikatorfärbung?)
2. Statt Salzsäure werden 10ml Phosphorsäure (c = 0,001 mol/L) verwendet. Berechne
die notwendige Menge an CaO!
14.15.2 Zusatzinformationen:
w:Stoﬀkonzentration12 , w:Titration13
14.15.3 Musterlösung Aufgabe 1
1.
12
13
406
a) Reaktionsgleichung: Ca(OH)2 + 2 HCl −→ 2 H2 O + CaCl2
b) Die notwendige Stoﬀmenge an Calciumhydroxid:
Wie man sieht entsprechen die Stoﬀmengen sich nicht. Zum Neutralisieren der beiden
OH− eines Moleküls Ca(OH)2 braucht man zwei Moleküle HCl:
Es gilt also: nCa(OH)2 = 2 nHCl
Anzahl an vorliegenden Säureteilchen: nHCl = cHCl · VHCl
nHCl = 0,01mol/L·0,01L
0, 0001mol
=
n
2
aus (1) und (2) folgt ⇒ Ca(OH)
= 0, 00005mol
2
⇒ Man benötigt zur Neutralisation also 0,00005 mol Ca(OH)2 . Diese reagieren mit
den vorhandenen 0,0001 mol HCl.
c) Wie stellt man aus Calciumoxid Calciumhydroxid dar?
Durch Zugabe von Wasser. Metalloxide und Wasser bilden Laugen!
CaO + H2 O −→ Ca(OH)2 + E
d) Welche Masse an Calciumoxid muss abgewogen werden, damit die notwendige
Stoﬀmenge an Calciumhydroxid vorliegt?
Wir benötigen 0,00005 mol Ca(OH)2
⇒ 0,00005 mol CaO + 0,00005 mol H2 O → 0,00005 mol Ca(OH)2 +E
mCaO
⇒ nCaO = M
CaO
g
g
⇒ mCaO = nCaO · MCaO = 0, 00005mol · (40, 08 mol
+ 16, 00 mol
) = 0, 0028g
http://de.wikipedia.org/wiki/Stoffkonzentration
http://de.wikipedia.org/wiki/Titration
Zusammenfassung: Säure und Basen-/Laugenbildung
Es müssen 0,0028 g CaO abgewogen werden. Diese werden mit einer beliebigen(!)
Menge Wasser aufgelöst und für den Versuch verwendet. Sie neutralisieren genau die
vorhandene Menge an HCl.
14.16 Zusammenfassung: Säure und Basen-/Laugenbildung
Abb. 158
Zusammenfassung Säuren und Basenbildung
407
Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung)
14.16.1 Wichtige Deﬁnitionen
Arrhenius:
Eine Säure ist...
Eine Lauge ist ...
Brönstedt:
Eine Säure ist...
Eine Base ist...
Eine Protolyse ist...
Das Kennzeichen einer Säure-Base Reaktion ist...
Eine Neutralisation ist...
Die Einführung des Konzeptes „Base“ wurde notwendig, da...
Salze entstehen z.B. durch...
14.17 Wiederholungsfragen Säure, Lauge, Base
1. Deﬁniere die Begriﬀe Säure und Lauge und wiederhole alle Säuren und ihre Säurereste
2. Was ist ein Indikator? Erkläre, welche positiven Eigenschaften ein Stoﬀ haben muss,
um ein Indikator zu sein und nenne dir bekannte Indikatoren.
3. Wie kann man Chlorwasserstoﬀ im Labor darstellen? Wie Salzsäure?
4. Was versteht man unter Protolyse? (Autoprotolyse?)
5. Welcher Zusammenhang besteht zwischen Säuren, der Säurewirkung und Oxoniumionen (bzw. Protonen)?
6. Deﬁniere Säure, Lauge/ Base nach Arrhenius und Brönsted. Warum hat Brönstedt
das System der Lauge erweitert? (Tipp: nenne zuerst 5 Laugen und 15 Basen!)
7. Warum spricht man bei Säure - Base Reaktionen auch vom „Donor-Akzeptor-Prinzip“
8. Begründe mit einer Reaktionsgleichung, warum auch NH3 alkalisch wirken kann und
OH− freisetzt, obwohl es doch kein Hydroxid in der Formel enthält!
9. Welche Stoﬀe werden durch Säuren, welche durch Laugen angegriﬀen?
10. Was versteht man unter dem „korrespondierenden Säure-Base Paar“?
11. Was versteht man unter dem pH-Wert? Deﬁniere und erkläre den genauen Zusammenhang zwischen pH-Wert und der Konzentration
12. Nenne 5 Dinge aus dem tägliche Leben, die eine Säure sind
13. Mit welcher Formel kannst Du berechnen, wie viel Lauge zu einer bestimmten Menge
Säure hinzu gegeben werden muss.
14. Bestimme die Konzentration einer Lösung, die aus 95ml Wasser und 1mol Salz enthält
15. Wie viel Wasser muss zu n = 0,121 mol Kochsalz zugegeben werden, damit eine Lösung
mit c = 0,05 mol/L entsteht?
16. Berechne: Es sollen 10ml Salzsäure (c = 0,001 mol/L) mit Kalkwasser neutralisiert.
Bestimme die notwendige Stoﬀmenge an Calciumhydroxid.
408
Wiederholungsfragen Säure, Lauge, Base
17. Berechne: Es sollen 10 ml Phosphorsäure (c = 0,001 mol/L) neutralisiert werden.
Berechne für Kaliumhydroxid und für Kalkwasser.
409
15 Redoxreaktionen als
Elektronenübergänge
15.1 Einleitung
In Kapitel Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm1 hast du Redoxreaktionen als
Sauerstoﬀaustauschreaktion kennen gelernt. Das ist ein gutes Konzept, um viele chemische
Reaktionen zu verstehen. Allerdings benötigen wir für einige komplexere Reaktionen ein
erweitertes Konzept.
Als gutes Hilfsmittel haben sich dabei die Oxidationszahlen erwiesen. Sie sind den Wertigkeiten ähnlich und helfen chemische Vorgänge besser zu erkennen. Oft wird erst durch
die Bestimmung der Oxidationszahlen einzelner Atome klar, welche chemische Reaktion
abläuft. Regeln ﬁndest Du im Folgenden.
15.1.1 Zusatzinformationen:
w:Redoxreaktion2
15.2 Die Oxidationszahl- eine nützliche Hilfszahl
w:Oxidationszahl3 w:Liste der Oxidationsstufen der chemischen Elemente4
1. Oxidationszahlen werden über den Elementsymbolen als römische Ziﬀer notiert.
2. Elemente haben stets die Oxidationszahl 0, z.B.:
±0 ±0 ±0
H 2 , A u, C l2
3. Sauerstoﬀ besitzt in Verbindungen die Oxidationszahl -II, z.B.:
+ I −II + IV−II + II −II
H 2 O , S O2 , M g O
4. Wasserstoﬀ besitzt in Verbindungen die Oxidationszahl +I, z.B.:
+ I −I
+ I −II - III +I
H Cl, H 2 O , N H3
1
2
3
4
Kapitel 11 auf Seite 255
http://de.wikipedia.org/wiki/Redoxreaktion
http://de.wikipedia.org/wiki/Oxidationszahl
http://de.wikipedia.org/wiki/Liste%20der%20Oxidationsstufen%20der%20chemischen%
20Elemente
411
Redoxreaktionen als Elektronenübergänge
5. Atome, die Wasserstoﬀ ersetzen erhalten positive Vorzeichen, z.B.:
+ I −I
+ I −II
N aCl, L i2 O
6. Atome, die Wasserstoﬀ binden erhalten negative Vorzeichen, z.B.:
+ I−I + I −II - III +I
H F , H 2 S , P H3
7. Der Betrag der Oxidationszahl ergibt sich aus der Zahl der ersetzten bzw. gebundenen
Wasserstoﬀatome.
8. Die Summen der Oxidationszahl in Molekülen bzw. Verbindungen ergibt immer 0.
9. Die Oxidationszahl der Elemente der ersten 3 Hauptgruppen in Verbindungen (!) ist
immer positiv und entspricht der Hauptgruppennummer, z.B.:
+ III−II
Al2 O3
10. Bei Ionen entspricht die Oxidationszahl der Ionenladung. Somit haben auch Säurereste
die der Ladung entsprechende Oxidationszahl, z.B.:
+I
+ II
+ III
N a+ , M g2+ , F e3+
15.2.1 Aufgaben:
• Bestimme alle Oxidationszahlen:
H2 O, MgO, Al2 O3 , NaCl, N2 , NaOH, NH3 , SO2 , CaO, H2 S, SO3 , K2 O, Na2 CO3 , N2 O3
, BaO2 , Cl2 O4 , K2 SnO3 , H2 N2 O2 , CaB2 O4 , Cr2 O4 2- , Cr2 O7 2- , AsO4 3- , MnO4 - , HOBr,
HBrO2 , HBrO3 , HBrO4 , SCl2 , PCl3 , BCl3 , SnH4 , SbCl5 , SeF6
15.3 Säurereste und Oxidationszahlen
• Die Säure HCl hat den Säurerest Cl- (Chlorid) ; Oxidationszahl ist -I
• Die Säure H2 SO4 hat den Säurerest SO4 2- (Sulfat) ; Oxidationszahl ist -II
• Die Säure H3 PO4 hat den Säurerest PO4 3- (Phosphat) ; Oxidationszahl ist -III
Deﬁnition
Prinzip: Die Oxidationszahl der Säurereste entspricht der Anzahl an Wasserstoﬀatomen
(mit umgekehrtem Vorzeichen!)
15.3.1 Aufgaben
Bestimme alle Oxidationszahlen
Cu, NH4 Cl, HBr, KBrO3 , H2 O, NaCl, H3 PO4 , Mg, I2 , C6 H12 O6 , CO2 , HClO4 , Al2 (SO4 )3 ,
H2 SO4 , BaCl2 , AgCl, AgNO3 , AlCl3 , CaCO3 , CaCl2 , Br2 , Fe2 O3 , FeCl3 , KHSO4 , SO2 , N2 ,
NaNO3 , NH3 , KI, HCl
412
Bestimmung von Oxidationszahlen anhand der Strukturformel
15.4 Bestimmung von Oxidationszahlen anhand der
Strukturformel
Als Beispiel soll die Phosphorsäure (H3 PO4 ) dienen:
Abb. 159
• Zunächst wird die Lewis-Formel aufgezeichnet.
• Anschließend werden die Elektronen den Atomen nach der Elektronegativität zugeordnet
• Ausgehend von den Valenzelektronen kann man dann die Oxidationszahl berechnen. Beispiel: Sauerstoﬀ besitzt normalerweise 6 Valenzelektronen (VI. Hauptgruppe). Auf Grund
der höheren Elektronegativität des Sauerstoﬀs sind die Bindungselektronen zwischen dem
Sauerstoﬀ und dem Wasserstoﬀ (oder dem Phosphor) dem Sauerstoﬀ zuzuordnen. In der
Bilanz erhält der Sauerstoﬀ dadurch zusätzlich zu den 6 vorhandenen zwei weitere Elektronen. Daher ist die Oxidationszahl −II. Der Phosphor steht in der V. Hauptgruppe, hat
also normalerweise 5 Valenzelektronen. Da diese alle dem Sauerstoﬀ zugeordnet werden,
„fehlen“ ihm fünf Elektronen und er erhält die Oxidationszahl +V.
15.5 Oxidation und Reduktion
(=Elektronenübertragungsreaktionen)
15.5.1 Verbrennungen mit Sauerstoﬀ
dhunparserurl Andhunparserurl Anorganiorganische Chemie
sche Chemie für Schüler:
für Schüler: Vorlage:
Vorlage: BBeobachtung
VVersuchsbeschreibung
dhunparserurl Anorganische Chemie
für Schüler: Vorlage:
SSchlussfolgerung
1. Entzünden von FeWolle
→ Verbrennung von
Fe→ exotherme Reaktion→Deﬁnition ein neuer
Stoﬀ ist entstanden
• dunkelgraues Reaktionsprodukt Fe glimmt
• Wärmeentwicklung
413
Redoxreaktionen als Elektronenübergänge
2. Verbrennung von FeWolle in reinem Sauerstoﬀ
3. Entzünden von AlPulver
• siehe V1
• Reaktion ist heftiger
• Lichtblitz
• weißes Produkt
⇒Sauerstoﬀ ist d.
Reaktionspartner4 Fe + 3 O2 −→ Fe2 O3 + E
⇒Al verbrennt mit
Sauerstoﬀ4 Al + 3 O2 −→ Al2 O3 + E
Deﬁnition
Bisher: Antoine Laurent de Lavoisier (1743 - 1794, mit der Guillotine hingerichtet):
Die Vereinigung eines Elementes mit Sauerstoﬀ nennt man Oxidation. Das Element wird
dabei oxidiert, Sauerstoﬀ ist das Oxidationsmittel. Verbrennungen sind ein Spezialfall
der Oxidation, bei der Licht und Wärme freiwerden.
Die Umkehrung der Oxidation wird Reduktion genannt. Sie ist die Abgabe von Sauerstoﬀ
15.5.2 "Verbrennungen" ohne Sauerstoﬀ
dhunparserurl Andhunparserurl Anorganiorganische Chemie
sche Chemie für Schüler:
für Schüler: Vorlage:
Vorlage: BBeobachtung
VVersuchsbeschreibung
dhunparserurl Anorganische Chemie
für Schüler: Vorlage:
SSchlussfolgerung
1. Reaktion von Al in Br2
⇒ exotherme Reaktion⇒
ein neuer Stoﬀ ist
entstanden⇒ 3 Br2 + 2
Al → E+ 2 AlBr3
• Al verbrennt
• weißer Feststoﬀ als Produkt
Stellt man nun die beiden letzten Reaktionen gegenüber, so sieht man, dass sie recht ähnlich
sind. Es entstehen weiße Produkte unter Flammenerscheinung. Ist die zweite Reaktion dann
etwa keine Redoxreaktion?
3 O2 + 4 Al → E+ 2 Al2 O3 3 Br2 + 2 Al → E+2 AlBr3
Eine Gemeinsamkeit beider Reaktionen ist das Aluminium. Betrachtet man nun die Valenzelektronen (=Außenelektronen) genauer, so sieht man, dass Al 3 Außenelektronen hat.
⇒ In beiden Salzen hat Al eine dreifach positive Ionenladung.
Gemeinsamkeit:
414
Oxidation: Al −→ Al3+ + 3 e-
Schritte zum Erstellen der Reaktionsgleichungen
Deﬁnition
Eine Elektronenabgabe wird als Oxidation bezeichnet. Die Elektronen werden vom Oxidationsmittel aufgenommen (neuere, allgemeinere Deﬁnition)
Elektronen können aber nicht einfach so abgegeben werden. Es ist ein Reaktionspartner
notwendig, der dieses Elektronen aufnimmt. Die Elektronenaufnahme wird als Reduktion
bezeichnet. Die Elektronen werden vom Reduktionsmittel abgegeben.
Reduktion
Oxidation
= Elektronenaufnahme
= Elektronenabgabe
Oxidationsmittel
Reduktionsmittel
= Stoﬀ der e− aufnimmt
= Stoﬀ der e− abgibt
Deﬁnition
Reduktion und Oxidation laufen immer gleichzeitig ab. Man spricht von Redoxreaktionen. Bei Redoxreaktionen werden Elektronen von einem Teilchen auf ein anderes
übertragen. Redoxreaktionen sind also Elektronenübertragungsreaktionen.
15.6 Schritte zum Erstellen der Reaktionsgleichungen
Die folgenden Schritte sollen für Dich ein Rezept darstellen, nach dem Du vorgehen sollst,
wenn Du in Zukunft Reaktionsgleichungen für Redoxreaktionen aufstellst. Bei den einfachen
Aufgaben auf diesem Zettel kannst Du den Schritt 5 & 6 noch überspringen.
Eine kleine Warnung für alle Schnellrechner:
Überspringst Du später einen Schritt, wird das Ergebnis in der Regel falsch sein!
1. Unvollständige Gleichung aus dem Experiment aufstellen (Ausgangsstoﬀe ?? Produkten)
2. Oxidationszahlen ermitteln
3. Teilgleichungen aufstellen
4. Anzahl der jeweils aufgenommenen oder abgegebenen e- ermitteln
5. Ladungsausgleich:
a) in alkalischer Lösung mit (OH)− (=Hydroxidionen)
b) in saurer Lösung durch (H3 O)+ (=Hydroniumionen)
6. Stoﬀbilanz mit Wasser
7. Elektronenanzahl der Teilgleichungen untereinander durch Multiplikation ausgleichen
8. Teilgleichungen "addieren" und so die Gesamtgleichung aufstellen. Fast fertig!
9. Überlegen, ob Energie benötigt oder freigesetzt wird
10. Überprüfung der Gleichung durch Probe (Dazu zählt man wie oft jedes Element und
jede Ladung auf beiden Seiten vorkommt - die Zahlen müssen immer gleich sein!)
Tipps (die Du eigentlich schon aus den letzten Kapiteln kennst):
1. Nur Wasserstoﬀ, Stickstoﬀ, Sauerstoﬀ und die Elemente der 7. HG kommen als zweiatomiges Element vor: ⇒ H2 , N2 , O2 , F2 , Cl2 , Br2 , I2 (es gibt also niemals Fe2 oder
Al4 als Element!)
415
Redoxreaktionen als Elektronenübergänge
2. Überlege Dir immer gut, ob die Formel, die Du erstellt hast, überhaupt logisch ist und
sie Dir bekannt vorkommt. Ein einfaches Zusammenzählen aller Atome ist nämlich nur
sehr selten die richtige Lösung: z.B. verbrennt CH4 + O2 nicht zu CH4 O2 , sondern zu
CO2 + H2 O (Kohlenstoﬀdioxid und Wasser!)
Deﬁnition
Wenn ein Element, ein Ion oder ein Molekül e- AUFnimmt, ist das eine REDuktion.
Wenn ein Element, ein Ion oder ein Molekül e- ABgibt, ist es eine Oxidation.
Hinweis: Wenn Du noch nicht soweit bist, komplette Reaktionsgleichungen aufzustellen,
dann ist das noch nicht sooo schlimm - schlimm wird es, wenn Du aufgibst ;-)
In dem Fall zumindest alle Oxidationszahlen zuordnen und die Teilgleichungen der Elemente
aufstellen, bei denen sich die Oxidationszahlen ändern. (also soweit machen, wie es geht!)
15.6.1 Aufgaben
Erstelle die Reaktionsgleichungen der folgenden Reaktionen und entscheide, ob es Redoxreaktionen sind. Bedenke: Redoxreaktionen liegen vor, wenn sich die Oxidationszahlen von
Atomen ändern.
1.
2.
3.
4.
5.
Verbrennung von Fe zu Fe2 O3
Vereinigung von Aluminium mit Fluor zum Salz
Verbrennung von Methan (CH4 )
Mg reagiert mit Brom [Br2 ] zum entsprechenden Bromid
Bildung von P4 O10 aus den Elementen
15.6.2 Zusatzinformationen:
w:Redoxreaktion5
15.7 Weitere Beispiele für Redoxreaktionen
15.7.1 Redoxreaktionen mit Elementen:
Als Schülerversuche Magnesium mit Schwefel und Magnesium mit Sauerstoﬀ umsetzen:
O2 +2 Mg → E+2 MgO
Br2 +Mg → E+MgBr2
S+Mg → E+MgS
Schlussfolgerung
Das Mg-Atom reagiert bei Redoxreaktionen zum zweifach positiv geladenen Mg2+ - Ion
5
416
http://de.wikipedia.org/wiki/Redoxreaktion
Redoxverhalten von Wasserstoﬀperoxid
Oxidation:
M g −→ M g 2+ + 2e−
aus O2 , Br2 und S entstehen negativ geladene Anionen.
Reduktion:
O2 + 4 e− −→ 2 O2−
Reduktion:
Br2 + 2 e− −→ 2 Br−
Reduktion:
S + 2 e− −→ S 2−
Deﬁnition
15.7.2 Redoxverhalten der Halogene
• Cl2 -Wasser + Hexan −→ Hexan färbt sich gelb
• Br2 -Wasser + Hexan −→ Hexan färbt sich braun
• I2 -Wasser + Hexan −→ Hexan färbt sich violett
15.8 Redoxverhalten von Wasserstoﬀperoxid
dhunparserurl Andhunparserurl Anorganiorganische Chemie
sche Chemie für Schüler:
für Schüler: Vorlage:
Vorlage: BBeobachtung
VVersuchsbeschreibung
dhunparserurl Anorganische Chemie
für Schüler: Vorlage:
SSchlussfolgerung
H2 O2 mit Kartoﬀel
• Gasentwicklung, Nachweis durch Glimmspanprobe
• Bei der Zersetzung von
H2 O2 entwickelt sich
Sauerstoﬀ.
• Die Kartoﬀel enthält
einen Stoﬀ um Wasserstoﬀperoxid zu spalten.
(Es handelt sich um das
Enzym w:Katalase6 )
↷
Grobe Idee in Worten: Wasserstoﬀperoxid
−→
Sauerstoﬀ
6
http://de.wikipedia.org/wiki/Katalase
417
Redoxreaktionen als Elektronenübergänge
Reduktion:
−I
O + e− −→ O2− | · 2
Oxidation:
−I
±0
2 O −→ O 2 + 2 e−
---- Redoxreaktion:
+I −I
+ I −II
±0
2 H 2 O 2 −→ 2 H 2 O + O 2
Deﬁnition
15.9 Redoxreaktion von Kohlenstoﬀ mit Schwefel
dhunparserurl Andhunparserurl Anorganiorganische Chemie
sche Chemie für Schüler:
für Schüler: Vorlage:
Vorlage: BBeobachtung
VVersuchsbeschreibung
Kohlenstoﬀ in konzentrierter Schwefelsäure kochen
• Kohlenstoﬀ „verschwindet“
• Geruch nach Schwefeldioxid
dhunparserurl Anorganische Chemie
für Schüler: Vorlage:
SSchlussfolgerung
→ Kohlenstoﬀ hat reagiert
→ es ist Schwefeldioxid
entstanden
→ konzentrierte Schwefelsäure ist ein Oxidationsmittel
↷ Grobe Idee in Worten: Kohlenststoﬀ + Schwefelsäure −→ Schwefeldioxid
Tipp zum Lösen der Gleichungen: Säuren in Reaktionsgleichungen zu Ionen dissoziieren!
−
C + SO2−
4 −→ CO2 + SO2 + 2 e
Vereinfachte Redoxgleichung ohne Säure und Wasser
±0
+I + VI−II
+ IV−II
+ IV- II
+ I −II
C + 2 H 2 S O 4 −→ 2 S O 2 + C O 2 + 2 H 2 O
vollständige Redoxreaktion
418
Redoxreaktion von Kohlenstoﬀ mit Schwefel
Deﬁnition
15.9.1 Hausaufgabe: Kupfer + Salpetersäure −→ Kupferoxid +
Stickstoﬀdioxid
Eine Kupfermünze reagiert mit Salpetersäure heftig unter Bildung des giftigen Stickstoﬀdioxids. Stelle die Reaktionsgleichung auf:
1. Ausgangsstoﬀe, Endstoﬀe: Cu + HNO3 −→ NO2 + CuO
2. Oxidationszahlen bestimmen
3. Teilgleichungen aufstellen
Oxidation: Cu −→ CuO
Reduktion: HNO3 −→ NO2
4. Elektronenanzahl der jeweils aufgenommenen oder abgegebenen e- ermitteln
Oxidation: Cu −→ CuO + 2 eReduktion: HNO3 + e- −→ NO2
5. Ladungssumme ausgleichen
Cu −→ CuO + 2 H3 O+ 2 eHNO3 + H3 O+ + e- −→ NO2
6. Stoﬀbilanz mit Wasser
Cu + 3 H2 O −→ CuO + 2 H3 O+ 2 eHNO3 + H3 O+ + e- −→ NO2 + 2 H2 O
7. . Elektronenzahlen der Teilgleichungen untereinander ausgleichen (Reduktion mal 2)
Cu + 3 H2 O −→ CuO + 2 H3 O+ 2 e2 HNO3 + 2 H3 O+ + 2e- −→ 2 NO2 + 4 H2 O
8. Teilgleichungen addieren
Cu + 2 HNO3 −→ CuO + 2 NO2 + H2 O
9. Überlegen, ob Energie benötigt oder freigesetzt wird
Cu + 2HNO3 −→ CuO + 2NO2 + H2 O + E
10. Probe
Cu: 1/1
H: 2/2
O: 6/6
N: 2/2
Reduktion von Kaliumdichromat
dhunparserurl Andhunparserurl Anorganiorganische Chemie
sche Chemie für Schüler:
für Schüler: Vorlage:
Vorlage: BBeobachtung
VVersuchsbeschreibung
dhunparserurl Anorganische Chemie
für Schüler: Vorlage:
SSchlussfolgerung
Cr2 O7 2- + Fe2+
→ es ist Cr3+ entstanden
• orange Lösung färbt
sich grün
419
Redoxreaktionen als Elektronenübergänge
Stelle die Reaktionsgleichung auf
Lösung - Kurzform:
(Cr2 O7 )2- −→ 2 Cr3+ ;
Fe 2+ −→ Fe3+
VI -II
II
III
III
22+
3+
3+
(Cr2 O7 ) + Fe −→ Cr
+ Fe
ox: Fe2+ −→ Fe3+ + eCr2 O7 2- + 6e- −→ 2 Cr3+
ox: Fe2+ −→ Fe3+ + eCr2 O7 2- + 6e- 14 H3 O+ −→ 2 Cr 3+
ox: Fe2+ −→ Fe3+ + eCr2 O7 2- + 6e- 14 H3 O+ −→ 2 Cr 3+ + 21 H2 O
ox * 6
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Cr2 O7 2- + 6 Fe
2+
14 H3 O+ −→ 2 Cr
3+
+ 21 H2 O + 6 Fe3+ +E
15.10 Reaktionen mit Manganionen
Mangan ist ein Element, welches in vielen verschiedenen Oxidationsstufen vorkommen kann.
Dadurch sind sehr viele Reaktionen möglich. Mit Schwefeltrioxid reagiert es unterschiedlich
je nach Säuregrad
15.10.1 Reaktion von Permanganat mit Sulﬁt:
1. In saurem Milieu:
2. In alkalischem
Milieu:
3. In neutraler Lösung:
2 MnO4 - + 5 SO3 2- + 6
H3 O+
2 MnO4 - + SO3 2- + + 2
OH2 MnO4 - + 3 SO3 2- + H2 O
Erklärungen zu 2: Permanganat (VII) zu Manganat (VI)
420
−→2 Mn2+ + 5 SO4 2- + 9
H2 O + E
−→2 (MnO4 )2- + SO4 2- +
H2 O + E
−→2 MnO2 + 3 SO4 2- + 2
OH- + E
ox:
red:
SO3 2- + 2 OHMnO4 - + e-
−→
−→
SO4 2- + H2 O + 2eMnO4 2|* 2
Reaktionen mit Manganionen
421
Redoxreaktionen als Elektronenübergänge
______________________________________________
2 MnO4 - + SO3 2- + 2 OH- −→ 2 MnO4 2- + SO4 2- + H2 O + E
Damit die Gleichung im Labor möglich ist, müssen die Kationen ergänzt werden, so dass
man weiß, welche Salze man verwenden kann
2 KMnO4 + Na2 SO3 + 2 KOH −→ 2 K2 MnO4 + Na2 SO4 + H2 O + E
15.10.2 Chlordarstellung aus HCl und Permanganat
2 MnO4 - + 16H+ + 10Cl- −→ 2 Mn2+ + 5Cl2 + 8 H2 O + E
15.10.3 Die Farben der unterschiedlichen Manganionen
Mn7+ (VII) - z.B. (MnO4 )- ist violett
Mn6+ (VI) - z.B. (MnO4 )2- ist grün
Mn4+ (IV) - z.B. (MnO2 ) ist braun (MnO2 = Braunstein)
Mn2+ (II) - z.B. MnO ist farblos
Zusatzinformationen:
w:Mangan7
15.11 Übungsaufgaben Redoxreaktionen
1. Formuliere für die angegebenen Reaktionen Teilgleichungen für die Oxidation und
Reduktion und die Redoxgleichung für diese Reaktion. Kennzeichne in der Redoxreaktion Reduktionsmittel und Oxidationsmittel.
a) Aluminium reagiert mit Chlor zu Aluminiumchlorid.
b) Leitet man Chlorgas in Ammoniakgas ein, so kommt es zur Bildung von Stickstoﬀ
und Chlorwasserstoﬀgas.
c) Wenn man konzentrierte Schwefelsäure mit Kohlenstoﬀ (C) erhitzt, dann entstehen
Schwefeldioxid und ein anderes, farbloses Gas. Wenn man dieses Gas in Calciumhydroxidlösung ("Kalkwasser") leitet, entsteht eine weiße Trübung (Niederschlag).
d) Schwefelwasserstoﬀ wird in Chlorwasser eingeleitet. Als Reaktionsprodukt entstehen Chloridionen und ein gelber Feststoﬀ.
Verfahre bei den folgenden Aufaben wie oben.
1. 2 H2 S + SO2 −→ 3 S + 2 H2 O (Synproportionierung)
2. 3 Br2 + 6 OH- −→ 5 Br- + BrO3 - + 3H2 O (Disproportionierung)
7
422
http://de.wikipedia.org/wiki/Mangan
Bedeutung von Redoxvorgängen
3. Reaktion einer Kaliumpermanganatlösung mit Wasserstoﬀperoxidlösung im alkalischen Medium. Es entstehen Braunstein (MnO2 ) und Sauerstoﬀ.
4. Chlor reagiert mit Natronlauge. Es entstehen Chlorid und Hypochlorit (OCl-)
Cl2 + 2 NaOH −→ NaCl + NaOCl + H2 O (Disproportionierung)
5. KMnO4 + Mn(OH)2 −→ MnO2 + KOH + H2 O
6. Natrium reagiert beim Kontakt mit Wasser zu Natronlauge und Wasserstoﬀ
Oxidation:
Reduktion:
−→
−→
2 Na
2 H2 O + 2 e-
2 Na+ + 2 e2 OH- + 2 H2
---- 2 Na + 2 H2 O
−→
2 Na+ + 2 OH- + H2
Tipp
Wenn ein Element oder ein Ion oder ein Molekül e- aufnimmt ist das eine Reduktion. Man
kann sich das besser merken, wenn man daran denkt, dass das Molekül etwas negatives
bekommt und die Oxidationszahl kleiner (reduziert) wird.
(Bei der Elektrolyse geschieht dies an der Kathode - nur dort!)
Wenn ein Element oder ein Ion oder ein Molekül e- abgibt ist es eine Oxidation
(Bei der Elektrolyse geschieht dies an der Anode - nur dort!)
15.12 Die Elektrolyse - eine erzwungene Redoxreaktion
V: Zn in I2 -Lösung −→ Entfärbung
V: Zersetzung einer ZnI2 -Lösung durch elektrischen Strom
15.13 Bedeutung von Redoxvorgängen
Beispiele aus der Natur:
Photosynthese:
Zellatmung:
Alkoholische
Gärung:
E + 6 CO2 + 6 H2 O
−→
C6 H12 O6 + 6 O2
C6 H12 O6
−→
−→
C6 H12 O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2 O + E
2 CO2 + 2
CH3 CH2 OH + E
Beispiele aus der Technik
• Alle Formen der Metallgewinnung aus Erzen
423
Redoxreaktionen als Elektronenübergänge
• Korrosionsprozesse (Rosten)
• Stromerzeugung durch Batterien oder Akkumulatoren (z.B. Brennstoﬀzelle)
15.14 Übungsaufgaben
Redoxreaktionen ausgleichen bis der Arzt kommt ;)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
MnO4 − + NO2 − → Mn2+ + NO3 −
ClO− + CrO2 2− + OH− → Cl− + CrO4 2−
HBrO3 + Bi → HBrO2 + Bi2 O3
Zn(s) + NO3 − + → Zn2+ + NH3 + OH−
Ag + H2 SO4 → Ag2 SO4 + SO2
Al + H2 SO4 → Al2 (SO4 )3 + SO2
Bi + HNO3 → Bi(NO3 )3 + NO
Cr2 O7 2− + H2 S → Cr3+ + S + OH−
Cu + HNO3 → 3 Cu(NO3 )2 + NO
FeSO4 + HIO3 + H2 SO4 → I2 + Fe2 (SO4 )3 + H2 O
MnO2 +Cl− + H+ → H2 O + Cl2 + Mn2+
MnO4 − + C2 O4 2− + H3 O+ → Mn2+ + CO2
P + HNO3 + H2 O → H3 PO4 +NO
PbO2 + HCl → PbCl2 + Cl2
SbH3 + OH− → Sb(OH)4 − + H2
Sn + HNO3 → SnO2 + NO2
SO2 + I2 + OH− → SO3 + 2I−
SO3 2− + Sn2+ +H3 O+ → SnS2 + Sn4+
15.14.1 Lösungen
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
424
2 MnO4 − + 6 H+ + 5 NO2 − → 2 Mn2+ + 3 H2 O + 5 NO3 −
2 ClO− + CrO2 2− → 2 Cl− + CrO4 2−
3 HBrO3 + 2 Bi → 3 HBrO2 + Bi2 O3
4 Zn(s) + NO3 − + 6 H2 O → 4 Zn2+ + NH3 + 9 OH−
2 Ag + 2 H2 SO4 → Ag2 SO4 + SO2 + 2H2 O
2 Al + 6 H2 SO4 → Al2 (SO4 )3 + 3 SO2 + 6 H2 O
Bi + 4HNO3 → Bi(NO3 )3 + 2H2 O + NO
Cr2 O7 2− + 3 H2 S + H2 O → 2 Cr3+ + 3 S + 8 OH−
3 Cu + 8 HNO3 → 3 Cu(NO3 )2 + 2 NO + 4 H2 O
10 FeSO4 + 2 HIO3 + 5 H2 SO4 → I2 + 5 Fe2 (SO4 )3 + 6 H2 O
MnO2 + 2 HCl− + 2 H+ → 2 H2 O + Cl2 + Mn2+
2 MnO4 − + 5 C2 O4 2− + 16 H3 O+ → 2 Mn2+ + 10 CO2 + 8 H2 O
3 P + 5 HNO3 +2 H2 O → 3 H3 PO4 +5 NO
PbO2 + 4 HCl → PbCl2 + Cl2 + 2 H2 O
SbH3 + OH− + 3 H2 O → Sb(OH)4 − + 3 H2
Sn + 4 HNO3 → SnO2 + 4 NO2 + 2 H2 O
SO2 + I2 + 2 OH− → SO3 - 2 I− + H2 O
2 SO3 2− + 6 Sn2+ + 12 H3 O+ → SnS2 + 5 Sn4+ + 18 H2 O
Übungsaufgaben
en:A-level Chemistry/AQA/Module 5/Redox equilibria8
8
http://en.wikibooks.org/wiki/A-level%20Chemistry%2FAQA%2FModule%205%2FRedox%
20equilibria
425
16
16.1 Die Redoxreihe (Spannungsreihe) der Metalle
16.1.1 a) Experimentelle Befunde:
Abb. 160
Eisennagel in Kupfer(II)-Sulfatlösung
427
V1: Eintauchen eines Eisennagels in eine Kupfersulfatlösung
B: Der Nagel läuft erst dunkel an, dann bildet sich ein rötlicher Feststoﬀ
S: Am Eisennagel entsteht elementares Kupfer. Aus dem elementaren Eisen werden Eisenionen
Ox : Fe −→ Fe2+ + 2 e−
Red : Cu2+ + 2 e− −→ Cu
2+
Cu(aq)
+ Fe(s) −→ Cu(s) + Fe2+
(aq)
V2: Umkehrversuch: Kupfernagel in eine Eisensulfatlösung
B: keine Reaktion
S: Fe reduziert Cu2+ , aber umgekehrt kommt diese Reaktion nicht zustande.
→ Fe ist ein stärkeres Reduktionsmittel als Cu
Zunahme des Reduktionsvermögens: Cu → Fe
Zunahme des Oxidationsvermögens: Fe2+ → Cu2+
Deﬁnition
Metall und Metallion bilden dabei immer ein Paar! Man spricht auch von einem korrespondierenden Redoxpaar.
Ist das Metall ein starkes Reduktionsmittel, so ist das zugehörige Metallkation ein schwaches Oxidationsmittel und umgekehrt.
16.1.2 b) Erklärung: Lösungsdruck und Abscheidungsdruck
Eisenatome gehen vom Stab als Ionen in Lösung. Dabei werden Elektronen frei.
Deﬁnition
Metallatome haben die Fähigkeit, in wässriger Lösung wenige Elektronen abzugeben und
als Ionen in Lösung zu gehen. Man spricht vom Lösungsdruck bzw. der Lösungstension.
Diese Lösungstension ist v.a. davon abhängig, wie edel ein Metall ist.
Je edler ein Metall dabei ist, desto weniger Ionen gehen in Lösung und desto geringer
ist die Lösungstension (der Lösungsdruck).
Bei unedlen Metallen gehen viele Ionen in Lösung, bei edlen nur sehr wenige.
Umgekehrt nennt man das Bestreben von Metallionen Elektronen aufzunehmen und zu
Metallatomen zu reagieren, als Abscheidungsdruck.
Jedes Metall hat einen bestimmten, charakteristischen Lösungsdruck und einen bestimmten Abscheidungsdruck.
428
Die Redoxreihe (Spannungsreihe) der Metalle
Dabei stellt sich zwischen den Ionen, die in Lösung gehen und der Anzahl der Ionen die sich
an der Elektrode abscheiden und zum Metall reagieren ein Gleichgewicht ein.
Je nachdem ob Lösungsdruck oder Abscheidungsdruck stärker sind, herrscht an der Elektrode Elektronenmangel oder -Überschuss.
16.1.3 c) Einordnung weiterer Metall in die Spannungsreihe
(Schülerversuch)
Macht man nun solche Versuche mit weiteren Metallen und Salzlösungen (z.B. Pb, Ag, Zn),
ist immer ein der Stoﬀ der edlere, der als Metall aus der Salzlösung heraus entsteht.
V: Bestimme die Redoxreihe der vorgegebenen Metalle
B:
Cu
Fe
Zn
(Pb)
Cu2+
Fe2+
Zn2+
(Pb2+ )
S: Wenn der jeweilige Versuch abläuft, kann man daraus schließen, das das neu gebildete
Metall edler als das der Ionenlösung ist.
Deﬁnition
Läuft die Reaktion ab, dann ist das neu gebildete Metall edler, als das Metall, welches
vorher vorlag.
Man kommt so auf folgende Redoxreihe (=Spannungsreihe):
Deﬁnition
Zunahme des Reduktionsvermögens: Ag, Cu, Pb, Fe, Zn
Zunahme des Oxidationsvermögens: Zn2+ , Fe2+ , Pb2+ , Cu2+ , Ag+
Jedes Metall in der oben stehenden Reihe reduziert die Ionen der rechts von ihm stehenden Metalle.
Aufgaben
1. Was beobachtet man beim Eintauchen eines Silberblechs in Kupfersulfatlösung?
2. Was beim Eintauchen von Kupfer in eine Silbernitratlösung?
16.1.4 d) Die Redoxreihe (Spannungsreihe) der Nichtmetalle
Nichtmetalle kommen entweder fest (wie z.B. Kohlenstoﬀ oder Schwefel), ﬂüssig (Brom)
oder gasförmig (z.B. Fluor, Chlor, Stickstoﬀ usw.) vor. Nur bei Feststoﬀen sind einfache
Elektroden möglich (z.B. die Graphitelektroden). Bei anderen Aggregatzuständen muss man
etwas tricksen...
429
V: Erstelle die Redeoxreihe der Halogene, indem Du die Elemente mit den jeweilig passenden
Lösungen reagieren lässt. Wenn noch Zeit ist, kannst Du Schwefel und Sulﬁd (aus H2 S) in
die Versuchsreihe mit aufnehmen. Mit Fluor sind keine Versuche möglich. Vielleicht kannst
Du es aufgrund seiner sehr hohen Reaktivität einordnen?
Cl2 -Wasser + KBr
Cl2 -Wasser + KI
Br2 -Wasser + KCl
Br2 -Wasser + KI
B:
S: Auch Nichtmetalle lassen sich in eine solche „Hitparade der edlen Stoﬀe“ einordnen.
Anstelle der festen Metalle, werden Nichtmetalle entweder in Wasser (z.B. Bromwasser,
Chlorwasser). gelöst verwendet oder als Gas auf eine Metallelektrode (z.B. Pt) geströmt.
Reduktionsvermögen der Ionen nimmt zu / Oxidationsvermögen der Moleküle nimmt ab:
Cl- /Cl2 , Br- /Br2 , I- /I2 , S2- /S, F- /F2
Deﬁnition
Jedes Nichtmetall in oben stehender Reihe oxidiert die Ionen der rechts von ihm stehenden Nichtmetalle.
16.2 Lösungsdruck und Abscheidungsdruck
Deﬁnition
Metallatome haben die Fähigkeit, Elektronen abzugeben und als Ionen in Lösung zu
gehen.
Man spricht vom Lösungsdruck bzw. der Lösungstension.
Je edler dabei ein Metall ist, desto weniger Ionen gehen in Lösung und desto geringer
ist der Lösungsdruck.
Umgekehrt nennt man das Bestreben von Metallionen Elektronen aufzunehmen und zu
Metallatomen zu reagieren, als Abscheidungsdruck.
Jedes Metall hat einen bestimmten, charakteristischen Lösungsdruck und einen bestimmten Abscheidungsdruck.
Dabei stellt sich zwischen den Ionen, die in Lösung gehen und der Anzahl der Ionen die sich
an der Elektrode abscheiden und zum Metall reagieren ein Gleichgewicht ein.
Je nachdem ob Lösungsdruck oder Abscheidungsdruck stärker sind herrscht an der Elektrode
Elektronenmangel oder -Überschuss.
V:
Zn in CuSO4 -Lösung.
Cu in ZnSO4 -Lösung
430
Ein Zink und ein Kupferstab in einer Kupfersulfatlösung (CuSO4)
B: Cu scheidet sich ab, Zn nicht.
S: → Kupfer ist edler als Zink.
Dies macht man sich nun für das Daniell-Element zunutze (siehe auf den folgenden Seiten).
16.3 Ein Zink und ein Kupferstab in einer
Kupfersulfatlösung (CuSO4)
Betrachtet man nun zwei verschieden edle Metalle in einer Lösung und verbindet diese über
ein Spannungsmessgerät, so kann man ein Potential (U) mit einem geringem Beobachtung:
Stromﬂuss (I) und eine Abscheidung am Zinkstab (=Vergiftung) beobachten
Abb. 161
Vorgänge am Cu-Stab
Cu2+ (aus der Lösung) nimmt 2e- vom Stab auf und setzt sich als elementares Cu am
Cu-Stab fest:
431
Red1: Cu2+ + 2 e– → Cu
Vorgänge am Zn-Stab
Vom Zn-Stab gehen Zn2+ in Lösung, dabei werden jeweils e- frei:
Ox: Zn → Zn2+ + 2 e–
Weiterhin gelangen auch Cu2+ -Ionen zum Zinkstab und nehmen von dort direkt 2 e– auf.
Es bildet sich also auch am Zinkstab etwas Kupfer: Red2: Cu2+ + 2e– → Cu (aber am
Zinkstab!). Dieses Kupfer blockiert nach einiger Zeit die Abgabe von weiteren Zinkionen
in die Lösung, so dass die Reaktion am Zinkstab zum Erliegen kommt. Nach einiger Zeit
kommt die Reaktion zum Erliegen. Dies geht einher mit einer großen Menge Kupfer, die
sich am Zinkstab abscheidet. Man sagt, der Zinkstab wird vergiftet.
Um genau diesen Eﬀekt, das Vergiften der Zink-Elektroden, vorzubeugen, wäre eine Elektronen und (kleine) Ionen durchlassende Membran von Vorteil. Wichtig ist, das eine solche
Trennung so wenig Kupferionen wie möglich passieren lässt.
Natürlich sollte man die Zinkelektrode dann auch nicht in Kupferionenlösung stellen, sondern eher in eine Zinkionenlösung.
16.4 Das Volta-Element
Viele Galvanische Elemente haben keinen Namen, aber neben dem Daniell-Element (siehe
nächste Seite), gibt es noch ein zweites bekanntes, das zuerst von Alessandro Volta aufgestellt wurde.
V: Ein Silberstab und ein Zinkstab werden in ihre entsprechenden Ionenlösungen (z.B.
Silbersulfat und Zinksulfat) gestellt und leitend miteinander verbunden. (Alternativ können auch ein Tonzylinder, oder ein spezielles U-Rohr mit Diaphragma verwendet werden).
432
Das Volta-Element
Abb. 162
Um einer Vergiftung vorzubeugen, ﬁndet eine Erweiterung auf zwei Halbzellen statt. Die
leitende Verbindung, welche einen geschlossenen Stromkreis garantiert ist die Salzbrücke
(ein Filterpapier in Kochsalzlösung getaucht).
433
Abb. 163
Vorgänge im Detail
Es liegen 2 Redoxpaare (Zn/Zn2+ sowie Ag/Ag+ ) vor. Bei Tonzylinder bzw. Diaphragma:
1. wenige Silberionen gehen vom Silberstab in Lösung � er ist deshalb positiver als der
Zinkstab, an dem viele Ionen in Lösung gehen
2. Zink wird oxidiert und gibt e- ab
3. Die Elektronen wandern über einen Leiter zum Silber.
4. Die gelösten Silberionen der Silberlösung nehmen die Elektronen auf und werden somit
reduziert.
red: Ag+ + e– → Ag
ox: Zn → Zn2+ +2e–
Zn + Ag+ → Ag + Zn2+
16.5 Zwei getrennte Halbzellen: Galvanische Elemente
Wie kann man das vorzeitige Vergiften des Zinkstabes verhindern?
- der Zinkstab darf nicht in Kupferionenlösung stehen → räumliche Trennung in zwei Halbzellen
V: Ein Kupferstab und ein Zinkstab werden in ihre entsprechenden Ionenlösungen (z.B.
Kupfersulfat und Zinksulfat) gestellt und leitend miteinander verbunden. (Alternativ können auch ein Tonzylinder, oder ein spezielles U-Rohr mit Diaphragma verwendet werden).
434
Zwei getrennte Halbzellen: Galvanische Elemente
Abb. 164
B: Es liegen 2 Redoxpaare (Zn/Zn2+ sowie Cu/Cu2+ ) vor. Bei Tonzylinder bzw. Diaphragma
wird eine Spannung von 1,1V gemessen. Bei der Salzbrücke ist sie etwas geringer. Die Reaktion kommt dann zustande, wenn beide Teilsysteme elektrisch (Draht) und elektrolytisch
(Salzbrücke, Diaphragma) verbunden sind.
S: Am Kupferstab gehen nur wenige Kupferionen in Lösung, er ist deshalb positiver als der
Zinkstab, an dem viele Ionen in Lösung gehen und somit viele freie e- vorliegen. Aus diesem
Grund ist der Kupferstab positiv geladen und der Zinkstab negativ.
red: Cu2+ + 2e– → Cu
ox: Zn → Zn2+ +2e–
Zn + Cu2+ → Cu + Zn2+
• Zink wird oxidiert und gibt e- ab
• Zink bildet den negativen Pol, Kupfer den positiven Pol � Bei Kupfer überwiegt hier der
Abscheidungsdruck, bei Zink der Lösungsdruck.
• → Bedingt durch den für jedes Metall charakteristischen Lösungs- und Abscheidungsdruck kommt es zwischen den beiden Halbzellen zu einer Spannung.
• Die Elektronen wandern über einen Leiter zum Kupfer. Dabei lässt sich eine Spannung
von 1,07 Volt messen.
• Die gelösten Kupferionen nehmen die Elektronen auf.
• Den Spannungsunterschied im stromlosen Zustand nennt man Leerlaufspannung.
• Außerdem kann man nun jeder Halbzelle ein bestimmtes elektrisches Potential (E) zuordnen. Die Leerlaufspannung ergibt sich aus der Diﬀerenz der Potenziale der beiden
Halbzellen.
435
Deﬁnition
Die beiden Teilvorgänge der Redoxreaktion können also räumlich getrennt werden. Die
e- gehen also nicht mehr direkt vom System Zn/Zn2+ auf das System Cu/Cu2+ über,
sondern wandern zuerst über einen Draht vom Zn zum Cu. Es ﬂießt ein Elektronenstrom.
Die beiden getrennten Teilsysteme nennt man „Halbzellen“.
Unter einem galvanischen Element versteht man eine Zusammenstellung aus zwei verschiedenen, räumlich getrennten Redoxsystemen.
Beide Teilsysteme sind elektrisch und elektrolytisch verbunden.
Normalerweise würden die e- am Zinkstab dafür sorgen, dass sich dort Cu2+ aus der
Lösung angezogen wird, sich absetzt und reduziert wird. die räumliche Trennung erlaubt
den Transport der e- zuerst zum Kupferstab, an dem dann die Reduktion stattﬁndet.
Wichtige Begriﬀe
•
•
•
•
•
Halbzelle (Halbelement):1 Metall in seiner Salzlösung
Galvanisches Element:2 Halbzellen, elektrisch und elektrolytisch verbunden.
Ein Zink-Kupferelement wird auch als Daniell-Element bezeichnet.
Anode:Elektrode, an der Teilchen oxidiert werden.
Kathode:Elektrode, an der Teilchen reduziert werden.
Deﬁnition
Beim galvanischen Element stellt die Anode den Minuspol dar, die Kathode den Pluspol.
Vorgänge in den Halbzellen
• An der Zinkelektrode gehen Zinkionen in Lösung, an der Kupferelektrode scheidet sich
Kupfer ab.
• In der Zn/ZnSO4 -Halbzelle entsteht ein Überschuss an Zn2+ -Ionen in der Cu/CuSO4 Halbzelle ein Überschuss an SO4 2- -Ionen.
16.5.1 Kurzschreibweise für Galvanische Elemente:
- Pol
Anode
+
Pol
Kathode
Zn/ZnSO4 //CuSO4 /Cu
Liegt ein Stoﬀ als Gas vor, so notiert man noch das Metall, welches als Träger dient:
Pt/H2 /H+ //Cu2+ /Cu
Zusatzinformationen
w:Daniell-Element1 w:Galvanische Zelle2
1
2
436
http://de.wikipedia.org/wiki/Daniell-Element
http://de.wikipedia.org/wiki/Galvanische%20Zelle
Elektrochemisches Gleichgewicht (nur GK/LK)
16.6 Elektrochemisches Gleichgewicht (nur GK/LK)
Erinnere Dich an das Thema „Gleichgewichtsreaktionen“. Bei vielen chemischen Reaktionen liegen Gleichgewichte vor. In der Elektrochemie liegen so genannte elektrochemische
Gleichgewichte vor.
Wie Du im vorherigen Versuch gesehen hast, ﬂießen Elektronen in einem galvanischen Element von Halbzelle zu Halbzelle. Dabei treten in jeder Halbzelle Ionen durch die Phasengrenze fest/ ﬂüssig hindurch (in beiden Richtungen). Hier liegt also ein Gleichgewicht vor.
Anfangs überwiegt z.B. die Abgabe von Metallionen der festen Elektrode an die ﬂüssige
Phase. In der Konsequenz wird das Metall durch die freien Elektronen negativer, was dazu
führt, dass Ionen der Lösung angezogen werden und von der ﬂüssigen Phase in die feste
übergehen.
Im Gleichgewichtszustand treten in einem Zeitabschnitt genauso viele Ionen von beiden
Richtungen durch die Phasengrenze. An genau dieser Phasengrenze entsteht so eine „Schicht“
aus negativen und positiven Ladungen.
Walther Hermann Nernst beschrieb dies als Gleichgewicht zwischen dem Lösungsdruck des
Metalls und dem Abscheidungsdruck der Ionen.
Elektrochemische Gleichgewichte stellen sich schnell ein. Da an den verschiedenen Metallen
der beiden Halbzellen unterschiedliche Gleichgewichte vorliegen, ist zwischen ihnen eine
Spannung messbar.
Zusatzinformationen
w:Elektrochemisches Gleichgewicht3
16.7 Die Salzbrücke
Ein Galvanisches Element ist eine Spannungsquelle. Elektronen ﬂießen vom unedlen Metall
zum Edlen. Solange keine Salzbrücke oder eine leitende Verbindung vorhanden ist, laden
sich die Metallstäbe nur auf. Es gehen von jedem Stab daraufhin so viele Ionen in Lösung,
wie sich daran festsetzten (ein Gleichgewicht). Wird nun aber der Stromkreis geschlossen,
kommt es zum Stromﬂuss. Da Elektronen durch das Kabel und das Messgerät ﬂießen,
müssen die Ladungen nun durch weitere Ionen ausgeglichen werden.
Da sich aber vom unedlen Pol (im Versuch vorher Zink) mehr Ionen ablösen (immer mehr
Zinkionen), würden diese Ionen mit der Zeit, den edlen Pol (im Versuch vorher Kupfer)
langsam mit einer metallischen Schicht überziehen (vergiften). Die Reaktion käme zum
Stillstand.
Die Salzbrücke, durch die auch ein langsamer Ionenaustausch stattﬁndet, verhindert zumindest eine Zeit lang das Vergiften der Metallelektroden.
Einen ähnlichen Eﬀekt hat ein selektivpermeables Diaphragma, welches nur Ionen bestimmter Größe durchlässt.
3
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrochemisches%20Gleichgewicht
437
16.8 Das Normalpotential
Die Standardhalbzelle wird bei Standardbedingungen gemessen:
Standarddruck: 101325 Pa (=1013,25 hPa = 1013 mbar)
Standardtemperatur T = 298,15K (= 25°C)
Standardkonzentration: c = 1 mol/L
Um einen absoluten Bezugspunkt zu haben, der es ermöglicht, alle Metalle gegeneinander
in Beziehung zu setzten, misst man die Metalle immer im Vergleich zu „Standardwasserstoﬀelektrode“ als Bezugselektrode.
Zusatzinformationen
w:Normalpotential4 w:Redoxpotenzial5 w:Galvanische Zelle6 w:Elektrochemisches
Potential7 w:Nernst-Gleichung8 w:Elektrode9 w:Kathode10 w:Anode11 w:Batterie12
w:Akkumulator13 w:Elektrochemische Spannungsreihe14
16.9 Die elektrochemische Spannungsreihe der Metalle
Deﬁnition
Redoxpotential eines Metalls: Bestreben e- abzugeben und zum Kation zu werden. Es
muss aber immer ein Reaktionspartner vorhanden sein, dem die e- übertragen werden
können.
V: Gemessen werden Potentialunterschiede verschiedener Metalle gegeneinander.
B:
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
438
http://de.wikipedia.org/wiki/Normalpotential
http://de.wikipedia.org/wiki/Redoxpotenzial
http://de.wikipedia.org/wiki/Galvanische%20Zelle
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrochemisches%20Potential
http://de.wikipedia.org/wiki/Nernst-Gleichung
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrode
http://de.wikipedia.org/wiki/Kathode
http://de.wikipedia.org/wiki/Anode
http://de.wikipedia.org/wiki/Batterie
http://de.wikipedia.org/wiki/Akkumulator
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrochemische%20Spannungsreihe
Die elektrochemische Spannungsreihe der Nichtmetalle
positiver
Pol
Li /
Li+
Mg /
Mg2+
Zn /
Zn2+
Cu /
Cu2+
Ag /
Ag2+
negativer Pol
Li /
Mg /
+
Li
Mg2+
0V
-
Zn /
Zn2+
-
Cu /
Cu2+
-
Ag /
Ag2+
-
0,7 V
0V
-
-
-
2,3 V
1,6 V
0V
-
-
3,4 V
2,7 V
1,1 V
0V
-
3,8 V
3,1 V
1,5 V
0,4 V
0V
S:
16.10 Die elektrochemische Spannungsreihe der
Nichtmetalle
V: Nichtmetallhalbzellen gegeneinander zu messen ist manchmal etwas schwieriger, da einige
Nichtmetalle bei Raumtemperatur keine Feststoﬀe sind. Als Beispiel können eine Iod/Iodid
und eine Brom/Bromid Halbzelle gegeneinander gemessen werden.
Abb. 165
B: Spannungsunterschied 0,5 V
439
16.11 Die Standard-Wasserstoﬀelektrode
Damit nun die gemessenen Unterschiede absolut ineinander in Beziehung gesetzt werden
können, braucht man einen Bezugspunkt. Deﬁniert wurde hierzu die wasserstoﬀumspülte
Platinelektrode, auch Standardwasserstoﬀelektrode genannt.
Auch hier gilt: c(H3 O+ ) = 1 mol/l, p(H2 ) = 1013 hPa, T= 25°C
2 H2 O + 2 H+ ⇌2 H3 O+ + 2 eH2 ⇌2 H+ + 2 e-
Abb. 166
Dabei gilt
440
Die elektrochemische Spannungsreihe
Halbzellen, welche gegenüber der Normal-Wasserstoﬀelektrode als Anode (Minuspol) fungieren, wird ein negatives Standardpotential zugeordnet.
Unedle MetalleStandardpotential < 0
Edle MetalleStandardpotential > 0
Deﬁnition
Je negativer das Standardpotential desto stärker das Reduktionsmittel.
Je positiver das Standardpotential desto stärker das Oxidationsmittel.
→ stärkste Reduktionsmittel: Li, Na, K,
→ stärkste Oxidationsmittel: Halogene
Bringt man nun die in den vorherigen Versuchen gemessenen Werte in Bezug auf die Standardwasserstoﬀhalbzelle, ergibt sich die Spannungsreihe. Sie erlaubt nicht nur Vorhersagen,
welche Spannungen beliebige Kombinationen von Halbzellen erzeugen, sondern auch, welcher Stoﬀ im Vergleich zu einem anderen edler bzw. unedler ist.
Deﬁnition
Außerdem liefert die Spannungsreihe Vorhersagen über den Ablauf von chemischen Reaktionen in wässriger Lösung (also ob eine bestimmte Reaktion möglich ist).
Zusatzinformationen
w:Wasserstoﬀelektrode15
16.12 Die elektrochemische Spannungsreihe
Die Elektrochemische Spannungsreihe ist eine Auﬂistung von Redox-Paaren nach ihrem
Standardelektrodenpotential unter Standardbedingungen:
Oxidierte
Form
F2
S2 O8 2−
H2 O2 + 2
H3 O+
Au+
(MnO4 )– + 8
H3 O+
Au3+
Au2+
Cl2
O2 + 4
H3 O+
15
+ 2e−
+ 2e−
+ 2e−
+ e−
+ 5e−
+
+
+
+
3e−
2e−
2e−
4e−
Reduzierte
Form
2 F−
2 (SO4 )2−
4 H2 O
Au
Mn2+ + 12
H2 O
Au
Au+
2Cl−
6 H2 O
Standardpotential E0
+2,87 V
+2,00 V
+1,78 V
+1,69 V
+1,51 V
+1,42
+1,40
+1,36
+1,23
V
V
V
V
http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoffelektrode
441
Oxidierte
Form
Pt2+
Br2
Hg2+
Ag+
Hg2+
Fe3+
I2
Cu+
[Fe(CN)6 ]3−
Cu2+
Cu2+
Sn4+
2H+
Fe3+
Pb2+
Sn2+
Ni2+
Cd2+
Fe2+
S
NiO2 + 2
H2 O
Zn2+
2 H2 O
Cr2+
Nb3+
V2+
Mn2+
Ti3+
Al3+
Ti2+
Be2+
Mg2+
Na+
Ca2+
Ba2+
K+
Li+
+ 2e−
+ 2e−
+ 2e−
+ e−
+ 2e−
+ e−
+ 2e−
+ e−
+ e−
+ 2e−
+ e−
+ 2e−
+ 2e−
+ 3e−
+ 2e−
+ 2e−
+ 2e−
+ 2e−
+ 2e−
+ 2e−
+ 2e−
+ 2e−
+ 2e−
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
2e−
3e−
2e−
2e−
3e−
3e−
2e−
2e−
2e−
e−
2e−
2e−
e−
e−
Zusatzinformationen
w:Spannungsreihe16
16
442
http://de.wikipedia.org/wiki/Spannungsreihe
Reduzierte
Form
Pt
2Br−
Hg
Ag
Hg+
Fe2+
2I−
Cu
[Fe(CN)6 ]4−
Cu
Cu+
Sn2+
H2
Fe
Pb
Sn
Ni
Cd
Fe
S2−
Ni(OH)2 + 2
(OH)−
Zn
H2 + 2
(OH)−
Cr
Nb
V
Mn
Ti
Al
Ti
Be
Mg
Na
Ca
Ba
K
Li
Standardpotential E0
+1,20 V
+1,07 V
+0,85 V
+0,80 V
+0,80 V
+0,77 V
+0,53 V
+0,52 V
+0,361 V
+0,34 V
+0,16 V
+0,15 V
0V
−0,04 V
−0,13 V
−0,14 V
−0,23 V
−0,40 V
−0,41 V
−0,48 V
−0,49 V
−0,76 V
−0,83 V
−0,91 V
−1,099 V
−1,17 V
−1,18 V
−1,21 V
−1,66 V
−1,77 V
−1,85 V
−2,38 V
−2,71 V
−2,76 V
−2,90 V
−2,92 V
−3,05 V
Aussagen der Spannungsreihe I - Berechnung der Leerlaufspannung
16.13 Aussagen der Spannungsreihe I - Berechnung der
Leerlaufspannung
Abb. 167
Wenn man mithilfe der Spannungsreihe die Spannung von zwei bestimmten Halbzellen
vorhersagen, so kann man sie direkt durch eine Subtraktion bestimmen. Man nennt diese
Spannung auch Leerlaufspannung (ΔE0 )bzw elektromotorische Kraft (EMK).
443
w:Die Spannungsreihe liefert Aussagen über den Ablauf von chemischen Reaktionen. Sie
lässt Vorhersagen zu, ob eine bestimmte Reaktion möglich ist.17
16.13.1 Beispiel: Berechnung der Leerlaufspannung des
Daniell-Elementes:
Deﬁnition
ULeerlauf = ΔE0 = EMK = E0 Kathode – E0 Anode
Cu/Cu2+ : Kathode (+)
Zn/Zn2+ : Anode (-)
U Leerlauf (Cu/Cu2+ // Zn/Zn2+ ) = 0,34 V - (- 0,76 V) = + 1,10 V
Deﬁnition
Ein Metall kann die MetallIonen, die über ihm in der Redoxreihe stehen zum Element
reduzieren!
16.14 Aussagen der Spannungsreihe II - Vorhersage über
Redoxreaktionen
Ob eine Redoxreaktion zwischen zwei Halbzellen (gleicher Konzentration!18 ) ablaufen kann,
hängt von den Redoxpotentialen ab. Berechnet man die EMK und erhält ein Ergebnis ΔE0
>0kann die Reaktion theoretisch ablaufen.
Unter Umständen gibt es aber weitere Hinderungsgründe wie z.B. eine Gasbildung, welche
die Elektroden blockieren (oder eine feine Oxidschicht, wie beim Aluminium), welche eine
praktische Reaktion dann doch behindern.
Deﬁnition
Das Standardpotential des Oxidationsmittels muss positiver sein, als das des Reduktionsmittels.
So können z.B. die H+ -Ionen einer Säure nur die Metalle oxidieren, welche ein negativeres
Normalpotential haben (also unedlere Metalle). Edle Metalle mit E0 > 0 werden von Säure
nicht angegriﬀen.
Wenn Reaktionen nicht freiwillig ablaufen, da ΔE0 < 0, kann man stattdessen die berechnete Spannung anlegen. Man spricht dann von einer Elektrolyse.
17
18
444
http://de.wikipedia.org/wiki/Die%20Spannungsreihe%20liefert%20Aussagen%20%C3%BCber%
20den%20Ablauf%20von%20chemischen%20Reaktionen.%20Sie%20l%C3%A4sst%20Vorhersagen%
20zu%2C%20ob%20eine%20bestimmte%20Reaktion%20m%C3%B6glich%20ist.
Beachte, dass E0 Konzentrationsabhängig ist
Aufgaben
16.14.1 Ausschnitt aus der Spannungsreihe zum Daniell Element:
Abb. 168
Zink als reduziertes Metall kann mit der oxidierten Form, den Kupferionen reagieren. Also
kann man die generelle Hilfsregel ableiten, dass das weiter unten reduzierte Form theoretisch
immer mit der weiter oben stehenden oxidierten Form reagieren kann.
Zusammenfassung
• Halbelementen, die gegenüber der Normal-Wasserstoﬀelektrode als Anode (Minuspol)
fungieren, wird ein negatives Standardpotential zugeordnet:
→ unedle MetalleStandardpotential < 0
→ edle MetalleStandardpotential > 0
• Je negativer das Normpotential einer Halbzelle, desto stärker ist sie als Reduktionsmittel
und desto höher ist die Lösungstension des betreﬀenden Metalls/ Nichtmetalls.� desto
unedler ist das Element
• Je positiver das Standardpotential desto stärker das Oxidationsmittel und desto niedriger
ist die Lösungstension � desto edler ist das Element:
→ stärkste Reduktionsmittel:Li, Na, K
→ stärkste Oxidationsmittel:Halogene
16.15 Aufgaben
1. Stelle die Reaktionsgleichung der elektrochemischen Reaktion des Daniell-Elementes
auf.
2. Welche unerwünschten Vorgänge ﬁnden in galvanischen Elementen statt, wenn sie
nicht durch ein Diaphragma oder eine Salzbrücke in Halbzellen aufgetrennt sind?
Gebe Reaktionsgleichungen dazu an.
3. Deﬁniere Kathode und Anode.
4. Zeichne ein galvanisches Element mit einer Silber und einer Kupferelektrode. Bestimme die elektrischen Pole, Anode und Kathode sowie die Stromﬂussrichtung. Welche
Spannung wird gemessen werden?
5. Berechne die Leerlaufspannung des Zn/Zn2+ // H+ /H2
6. Wie lauten die genauen Standardbedingungen?
445
7. Berechnen die Spannungen der folgenden galvanischen Elemente bei
Standardbedingungen:
a) Pb/Pb2+ // Pt/Pt2+
b) Al/Al3+ // Br2 /Br- /Pt
c) Pb/Pb2+ // Fe2+ /Fe3+ /Pt
d) Ag/Ag+ // Au/Au3+
8. Deﬁniere Oxidationsmittel und Reduktionsmittel. Welches Element ist das stärkste
Oxidationsmittel?
9. Läuft die folgenden Reaktion freiwillig ab? Berechne die EMK und stelle die Reaktionsgleichung auf.
a) Chlor und Iodid
b) Ein Zinkstab in einer Silberionenlösungb) Silber und Säure
c) Eisen und Chlor
d) MnO4 – -Ionen in saurer Lösung H2 O2
e) Schwefelwasserstoﬀ und Iod
f) Brom wird in eine NaCl-Lösung gegeben
g) Zinn wird in eine Eisen(II)-sulfatlösung gestellth) Kupfer reagiert mit einer
Eisen(III)-sulfatlösung
10. Warum kann man angelaufenes Silberbesteck in heißer Kochsalzlösung mit Aluminiumfolie „reinigen“?
16.16 Elektrochemische Stromerzeugung für den Alltag
V: In einem Batterieglas mit Ammoniumchloridlösung steht ein Zinkbecher.In die Lösung
taucht man eine Graphitelektrode ein, die mit einem mit Braunstein gefüllten Beutel umhüllt ist. (Im Leclanché-Element ist die Ammoniumchloridlösung durch Gelatine eingedickt).Die beiden Elektroden werden durch ein Voltmeter verbunden.
446
Elektrochemische Stromerzeugung für den Alltag
16.16.1 Die Trockenbatterie (Leclanché Element)
Abb. 169
Redoxsysteme
am Zinkbecher: Zn → Zn2+ + 2 eam Kohlestab: 2 MnO2 + 2 H3 O+ + 2 e- → Mn2 O3 + H2 O
Bilanz: Zn + 2 MnO2 + 2 H3 O+ → Zn2+ + Mn2 O3 + H2 O
Das Oxoniumion entsteht durch die Protolyse des Ammonium-Ions
NH4 + + H2 O → NH3 + H3 O+
Ammoniak entweicht nicht, sondern wird an Zink-Ionen gebunden.
Spannung: ca. 1,5 V
Anwendung: Taschenlampenbatterie usw.
447
16.17 Weiterlesen
w:Bleiakkumulator19
w:Elektrolyse20
w:Schmelzﬂusselektrolyse23
w:Korrosion21
w:Bayer-Verfahren22
16.18 Wiederholungsfragen
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
19
20
21
22
23
448
Wie bestimmt man Ionenladungen?
Wiederhole die Dissoziationsgleichungen der Säuren und Laugen
Erstelle eine Übersicht mit Ionenladungen der Säurereste
Was ist eine „Ionenbindung“?
Wiederhole die „Zusammensetzung der Salze“
Was sind Oxidationszahlen? Wiederhole alle Regeln zum Bestimmen von Oxidationszahlen
Bestimme die Oxidationszahlen von: NH3 , NH4 + , Cl2 , O2- , SO4 2- , CaO, AlBr3 , S2 O3 2- ,
H2 CO3 , NaNO3 , K2 Cr2 O7 , IO3 - , LiH, KMnO4 , Al2 O3 , Mg, H2 O, H2 SO3 , H2 S, H3 PO3 ,
H2 O2 , S8 , H2 SO4 , H3 PO4 , CaHPO4 .
Deﬁniere die Begriﬀe Oxidation, Reduktion und Redoxreaktion
Wiederhole die Schritte zum Erstellen der Reaktionsgleichungen
Wiederhole Dir bekannte Redoxreaktionen und erstelle die passenden Reaktionsgleichungen.
Erstelle die Gleichung der Zellatmung. Ist dies eine Redoxreaktion? Beweise es!
Löse folgende Reaktionsgleichungen: FeSO4 + HIO3 + H2 SO4 −→ I2 + Fe2 (SO4 )3 Zn
+ NO3 - + H2 O −→ Zn2+ + NH3 + OHWie kann man Metalle hinsichtlich ihres Oxidationsvermögens/ Reduktionsvermögens
untersuchen (also ihres unedlen/ edlen Charakters)?
Erkläre den Begriﬀ „Lösungstension“ (=Lösungsdruck)
Wie kommt es durch die Lösungstension zu verschiedenen Spannungspotentialen bei
Cu und Zn-Stäben?
Wie kann man ein vergiften vermeiden?
Erkläre genau die Vorgänge an beiden Stäben mit Reaktionsgleichungen und einer
Gesamtreaktionsgleichung.
Was sind Galvanische Elemente und was ist ein Daniell-Element? Erkläre mit einer
beschrifteten Zeichnung
Deﬁniere: Anode, Kathode, Halbzelle, Normalpotential, elektrochemische Spannungsreihe
Wirkt Wasserstoﬀperoxid (H2 O2 ) eher als Reduktions- oder als Oxidationsmittel? Wie
kann man dies theoretisch und praktisch beweisen?
Bei der Kupfergewinnung kann man sich den besonderen Stoﬀwechsel von Bakterien
zunutze machen. Erze mit geringem Kupferanteil werden dazu mit den Bakterien in
Kontakt gebracht. Die Bakterien wandeln nun ebenfalls vorhandenes Fe2+ zu Fe3+ um.
http://de.wikipedia.org/wiki/Bleiakkumulator
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrolyse
http://de.wikipedia.org/wiki/Korrosion
http://de.wikipedia.org/wiki/Bayer-Verfahren
http://de.wikipedia.org/wiki/Schmelzflusselektrolyse
Wiederholungsfragen
Das Produkt wandelt nun die Sulﬁdionen des Kupfersulﬁds in Sulfat um (Bildung von
CuSO4 ). Kupfersulfat ist Wasserlöslich, so dass das Kupfersalz nun einfach aus dem
Gestein gelöst und anschließend elektrolytisch Kupfer gewonnen werden kann. Stelle
die passende Redoxreaktion auf.
22. Wenn gelöster Schwefelwasserstoﬀ an der Luft steht, wird die Lösung nach einiger Zeit
gelb. Welche Reaktion läuft ab. Stelle dazu auch das Redoxpotential auf.
449
17 Elektrochemie I
17.1 Einleitung - Was ist eine chemische Reaktion?
Zu Beginn etwas rotes Feuer:
V: Kaliumchlorat, Zucker und Strontiumnitrat werden vermischt und mit etwas Schwefelsäure zur Reaktion gebracht.
B: rote Stichﬂamme.
S: Spontan ablaufende Reaktion.
Was sind die Grundlagen der Reaktion?
17.1.1 Der Kennzeichen einer chemischen Reaktion
Deﬁnition Mittelstufenunterricht: „Bei chemischen Reaktionen ﬁnden eine Stoﬀumwandlung
und eine Energieumwandlung statt“.
Deﬁnition Oberstufe: Chemische Reaktionen erkennt man z.B. durch:
•
•
•
•
Elektronenübertragung(Redoxreaktionen, Elektrolysen)
Protonenübertragung(Protolyse, Säure-Base-Reaktion)
Spaltung von Stoﬀen(Cracken, Explosion z.B. TNT)
Umlagerung von Gitterbausteinen(z.B. monokliner - rhombischer Schwefel / Graphit Diamant)
Beispiel
Fällungsreaktion von AgCl:
NaCl + AgNO3 −→ Na2 NO3
Bisher fand immer eine Untersuchung der beteiligten Stoﬀe und der beteiligten Energie
statt. Aber man kann eine Reaktion auch unter weiteren Aspekten betrachten. In diesem
Kurs werden Reaktionsgeschwindigkeiten ebenfalls beobachtet und analysiert.
Schnelle Reaktionen: Knallgasprobe, Ausfällung von AgCl
Langsame Reaktionen: Rosten von Eisen, alkoholische Gärung, Assimilation grüner Pﬂanzen
Das Problem ist dabei jeweils
Wie kann man die Reaktionsgeschwindigkeit messen?
451
Elektrochemie I
• Verbrennen von Papier und beobachten
• Was hat sich geändert in dieser Zeit → Stoﬀmenge / Konzentration
Deﬁnition
Reaktionskinetik befasst sich mit der Geschwindigkeit von Reaktionen
Aufgaben
1. Erkläre/ deﬁniere die folgenden Begriﬀe:
•
•
•
•
•
•
•
•
Chemische Reaktion und ihre Erkennungsmerkmale
Aktivierungsenergie und Reaktionsenergie (ab jetzt Reaktionsenthalpie genannt)
Endotherme sowie exotherme Reaktionen sowie Energiediagramm
Standard- und Normalbedingungen
Reaktionsgeschwindigkeit
Oxidation, Reduktion, Redoxreaktion
angeregter Zustand sowie Lichtemission
Energieformen
17.2 Energiebeteiligung bei chemischen Reaktionen
Bei jeder chemischen Reaktion spielt die Umwandlung von Energie eine Rolle. Entweder
wird Energie freigesetzt, die z.B. vorher in den Ausgangsstoﬀen enthalten war, oder Energie
wird zum Ablauf der Reaktion benötigt und somit dem System entzogen.
17.2.1 a) Energiediagramm (exotherme Reaktion)
Abb. 170
Aktivierungsenergie (ΔHA), notwendig zum Auslösen der Reaktion
Reaktionsenthalpie (ΔHR ),Energieüberschuss, der bei exothermen Reaktionen frei wird
452
Energiebeteiligung bei chemischen Reaktionen
Gesamt freiwerdende Energie (ΔHG )
Chemische Reaktionen, die unter Energieabgabe ablaufen heißen exotherme Reaktionen.
Die freiwerdende Energie kann dabei als Wärme, Licht oder in anderen Formen vorliegen.
Sie wird auch als Reaktionsenthalpie (ΔH) bezeichnet.
Chemische Reaktionen, bei denen ständig Energie zugeführt werden muss, damit sie überhaupt ablaufen, nennt man endotherme Reaktionen.
17.2.2 b) Energiediagramm (endotherme Reaktion)
Abb. 171
Zusatzinformationen
Das freiwillige Ablaufen einer chemischen Reaktion wird durch die Gibbs-HelmholtzGleichung vorausgesagt. Sie bestimmt die freie Enthalpie (ΔG), welche nicht mit der Reaktionsenthalpie (ΔH) verwechselt werden sollte. ΔS gibt in dieser Gleichung übrigens die
natürliche „Unordnung“ an, die Entropie.
∆G = ∆H − T · ∆S
Wenn ΔG < 0 ist, kann die Reaktion freiwillig ablaufen. Solche Reaktionen nennt man
exergonisch. Dies ist besonders bei exothermen Reaktionen der Fall, da sie einen negativen
Wert für ΔH haben. Endergonische Reaktionen hingegen laufen nicht freiwillig ab.
453
Elektrochemie I
w:Freie Enthalpie1 w:Enthalpie2 w:Gibbs-Helmholtz-Gleichung3 w:Reaktionsenthalpie4
w:Normalbedingungen5 w:Standardbedingungen6
17.3 Was ist die Reaktionsgeschwindigkeit?
Es gibt Reaktionen, die laufen schnell ab:
V: Fällungsreaktion von Silbernitrat mit Salzsäure
AgNO3 + Cl− −→ AgCl + NO−
3
Reaktionen, die langsam ablaufen: V: RG mit Thiosulfat und HCl (untergehende Sonne in kleinem Becherglas mit Kreuz):
+
S2 O2−
3 + 2 H3 O −→ S + SO2 + 3 H2 O
Video anschauen7
Deﬁnition
Die Reaktionsgeschwindigkeit chemischer Reaktionen ist u.a. von den chemischen Eigenschaften der Reaktionspartner abhängig.
17.3.1 Schülerversuch: Untersuchung der Reaktion von Thiosulfationen
mit Säure
V: Es werden 1g Natriumthiosulfat in 100ml Wasser aufgelöst. Diese wird auf 4 kleine 100ml
Bechergläser verteilt.
Die Reaktionen beginnen jeweils, wenn etwas HCl zu den einzelnen Lösungen zugefügt
wird. Ein Kreidekreuz auf dem Experimentiertisch dient als optisches Merkmal für den
Schlusspunkt der Messung.
BG1: 20ml Natriumthiosulfatlösung werden mit HCl versetzt
BG2: 20ml Natriumthiosulfatlösung + 20ml Wasser werden mit HCl versetzt
BG3: 20ml Natriumthiosulfatlösung + 40ml Wasser werden mit HCl versetzt
BG4: 20ml Natriumthiosulfatlösung werden auf das doppelte der Raumtemperatur erhöht
und mit HCl versetzt
1
2
3
4
5
6
7
454
http://de.wikipedia.org/wiki/Freie%20Enthalpie
http://de.wikipedia.org/wiki/Enthalpie
http://de.wikipedia.org/wiki/Gibbs-Helmholtz-Gleichung
http://de.wikipedia.org/wiki/Reaktionsenthalpie
http://de.wikipedia.org/wiki/Normalbedingungen
http://de.wikipedia.org/wiki/Standardbedingungen
http://video.netscience.de/video/88
Messung der Reaktionsgeschwindigkeit
Konzentrationsabhängigkeit
Temperaturabhängigkeit
Beobachtung
Eine Verringerung der
Konzentration um die
Hälfte verlangsamt die
Reaktionsdauer ca. um
die Hälte
Eine Erhöhung der Lösungstemperatur beschleunigt die Reaktionsdauer ca. auf ca. das
Doppelte.
Schlussfolgerung
Je höher die Konzentration, desto eher kommt
es zu wirksamen Zusammenstößen zwischen den
Thiosulfationen und den
Oxoniumionen. � die Reaktionsgeschwindigkeit
nimmt zu.
Je höher die Temperatur,
desto stärker ist die Eigenbewegung der Teilchen
der Lösung (in diesem
Fall der S2 O3 2- und der
H3 O+ -Moleküle). Je stärker ihre Eigenbewegung
ist, desto eher kommt es
zu wirksamen Zusammenstößen zwischen ihnen. �
die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt zu.
17.4 Messung der Reaktionsgeschwindigkeit
V: Beispielversuch: Verbrennen von Papier - Messung des entstehenden Kohlenstoﬀdioxids
455
Elektrochemie I
Abb. 172
Geschwindigkeit der Papierverbrennung
vR =
∆x
∆t
∆x = ∆c(CO2 )
456
Exkurs: Geschwindigkeit und ihre Messung in der Physik:
17.4.1 Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit graﬁsch:
Steigungsdreieck anlegen, abmessen und ausrechnen. Je kleiner das Steigungsdreieck dabei
wird desto genauer wird dabei die momentane Geschwindigkeit bestimmt. Die Steigung
entspricht der Tangente.
Reaktionsgeschwindigkeit v =
Konzentration c
Zeitintervall t
Deﬁnition
Unter der Reaktionsgeschwindigkeit versteht man die Änderung der Konzentration eines
Reaktionsteilnehmers (Δc) in einer bestimmten Zeiteinheit (Δt).
Bei abnehmender Konzentration bekommt der Quotient ein negatives Vorzeichen.
mol
Die momentane Geschwindigkeit: vRm = lim∆t→0 ∆c
∆t · l·s
17.5 Exkurs: Geschwindigkeit und ihre Messung in der
Physik:
17.5.1 a) gleichförmige Bewegung:
Abb. 173
457
Elektrochemie I
Geschwindigkeit = Weg / ZeitV = Δ�s / Δ�t
Geradensteigung m = Δ�y/ Δ�x
b) ungleichförmige Bewegung:
Abb. 174
ΔS verändert sich bei konstantem Δt
mittlere Geschwindigkeit = V = Δ�s / Δ�t
momentane Geschwindigkeit: lim (t->0) Δ�s / Δ�t = ds/dt
In der Chemiehaben wir es mit Reaktionen zu tun.
→ Was könnte hier als Zeichen für die Reaktionsgeschwindigkeit ändern ?
Deﬁnition
Die Konzentrationsabnahme von Edukten bzw. die Konzentrationszunahme der Produkte eigenen sich, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu bestimmen. (Entstehen eines
Produktes, Verschwinden eines Eduktes).
Ersatzweise kann bei Gasreaktionen auch die Zu- bzw. Abnahme des Volumens gemessen
werden. (Bei Farbreaktionen kann der Trübungsgrad durch ein Photometer gemessen,
verwendet werden.)
Gut geeignet
• Reaktionen, bei denen ein Gas entsteht
• Reaktionen mit Farbänderungen
458
Die Beeinﬂussung der Reaktionsgeschwindigkeit
Deﬁnition
Grundsätzlich kann man die Reaktionsgeschwindigkeit über das Entstehen der Produkte
und das „Verschwinden“ der Edukte erfassen.
17.6 Die Beeinﬂussung der Reaktionsgeschwindigkeit
17.6.1 a) Einﬂuss des Verteilungsgrades auf die
Reaktionsgeschwindigkeit
V: Gleiche Volumina von Alkohol (Spiritus) wird in einer kleinen (oder einem engen Becherglas) und einer großen Verbrennungsschale (bzw. auf dem Lehrertisch) entzündet.
Abb. 175
B: Der Alkohol im engen Becherglas brennt deutlich länger.
Warum brennt der Alkohol im Glas länger?
→ Die Kontaktﬂäche an der die Verbrennung stattﬁndet, ist im 2. Versuch größer.
Die Kontaktoberﬂäche Ethanol/Luft ist für die Reaktionsgeschwindigkeit entscheidend.
Deﬁnition
Sauerstoﬀ kann nur an der Oberﬂäche an der Verbrennung teilnehmen
S: Die Reaktionsgeschwindigkeit dieser Verbrennung ist von Größe der Flüssigkeitsoberﬂäche
abhängig, an der Luft und Alkohol in Kontakt stehen.
(Grund: O2 kann nur an der Oberﬂäche mit dem Ethanol reagieren)
Deﬁnition
Bei Reaktionen, die in einer Phase ablaufen nennt man homogenen Reaktionen. Beﬁnden
sich die Reaktionspartner in verschiedenen Phasen, so spricht man von heterogenen
Reaktionen.
Bei heterogenen Reaktionen wächst die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender
Oberﬂäche an der die Reaktionspartner miteinander Kontakt haben.
Aufgaben
1. Welcher wichtige Umwelteinﬂuss könnte die Reaktionsgeschwindigkeit noch beeinﬂussen?
459
Elektrochemie I
• Temperatur
2. Zeichne Kurven der Reaktionsgeschwindigkeit beider Verbrennungen in ein Diagramm
17.6.2 b) Einﬂuss der Temperatur:
Deﬁnition
RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit - Temperatur - Regel)
Bei einer Temperaturerhöhung um 10 K (10°C) verdoppelt bis verdreifacht sich die
Reaktionsgeschwindigkeit.
Die Ursachen beschreibt die w:Maxell-Boltzmann-Verteilung8
Abb. 176
Aufgaben
1. Die Reaktion von jeweils einem Mol Wasserstoﬀ und Sauerstoﬀ (Knallgasreaktion)
dauert bei Raumtemperatur ca. 108 Jahre, bei 730 °C ca. 10-5 s. Erkläre den Unterschied.
8
460
http://de.wikipedia.org/wiki/Maxell-Boltzmann-Verteilung
Erklärung für die Temperaturabhängigkeit chemischer Reaktionen
17.7 Erklärung für die Temperaturabhängigkeit chemischer
Reaktionen
17.7.1 Kinetische Energie in Abhängigkeit von der Temperatur
Mit zunehmender Temperatur nimmt bei chemischen Reaktionen die Anzahl der Teilchen
mit höherem Energiegehalt (=höherer kinetischer Geschwindigkeit) zu. Dadurch nimmt die
Anzahl der Zusammenstöße zu. Außerdem sind die Zusammenstöße „stärker“ (also energiereicher).
Abb. 177
Bei geringen Temperaturen sind die Zusammenstöße hingegen weniger häuﬁg und oft reicht
auch die Energie der Zusammenstöße für einen Wirksame Reaktion nicht aus. So lässt sich
ein Gemisch aus Wasserstoﬀ und Sauerstoﬀ lange aufbewahren, ohne dass eine Reaktion
stattﬁndet.
Aktivierungsenergie
Damit im eben genannten Beispiel von Wasserstoﬀ und Sauerstoﬀ eine Reaktion stattﬁndet,
muss ein Energiebetrag beim Zusammentreﬀen von Teilchen erreicht, bzw. überschritten
werden, damit überhaupt eine Reaktion stattﬁnden kann.
Deﬁnition
Nur wirksame Zusammenstöße führen zu einer chemischen Reaktion. Zu einem wirksamen Zusammenstoß gehören neben der notwendigen Energie auch die günstigen Orientierung der Reaktionsteilchen.
17.7.2 c) Einﬂuss der Konzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit
- Abnahme der Reaktionsgeschwindigkeit, bei Abnahme der Konzentration (1/2)
461
Elektrochemie I
Deﬁnition
Die RG ist von der Konzentration der beteiligten Stoﬀe abhängig.
Je größer die Konzentration ist, desto größer ist auch die mittlere RG.
17.8 Messung der Zunahme des Volumens in Abhängigkeit
von der Zeit
V1: H2 O2 und Bromwasser reagieren lassen:
50 ml H2 O + 40 mL Bromwasser (Tipp: muss riechen!) dazu 20 mL 5%ige H2 O2 -Lösung
zugeben und sofort in 10 s Abständen messen:
V2: Mg + HCl:9
Reagenzglas mit seitlichem Ausgang (!) mit 10ml 2mol HCl und 3g Mg-Band (ca. 5cm) mit
Schlauch und Kolbenprober
Abb. 178
Zeit t [s]
Auftragung der Kurve:
9
462
Beachte, dass E0 Konzentrationsabhängig ist
Volumen Vol [ml]
Die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit
Abb. 179
Auswertung
• Die Gasentwicklung verläuft am Anfang schneller als am Ende.
• Die Reaktionsgeschwindigkeit ist also nicht konstant, sondern ändert sich mit der Zeit.
Reaktionsgleichung: Br2 + H2 O −→ 2 HBr + O2
17.9 Die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit
In der Chemie interessiert uns in erster Linie die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit.
Diese ergibt sich als: vR =
∆V (O2 )
∆t
Umrechnung auf die umgesetzte Teilchenzahl: 1 mol eines Gases nimmt unter Normalbedingungen (0°C, 101325 Pa = 1013,25 mbar) ein Volumen von 22,41 L ein.
463
Elektrochemie I
n=
V0
Vm
22, 4L = 1M ol
V =n
→ n = 1mol ·
V
22, 4L
Also ergibt sich für die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit: VR =
∆n(O2 )
∆t
In unserem Versuch liegt eine heterogene Reaktion mit unterschiedliche Phasen vor!
Homogene Reaktionen laufen jedoch in einer Phase ab. (Beispiel?)
Bei homogenen Reaktionen steht die Teilchenzahl in direktem Zusammenhang mit der Konzentration:
Konzentration: C =
n
V
Für die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit gilt hier also:
V =
∆c
∆t
Deﬁnition
Reaktionsgeschwindigkeit = Quotient aus der Konzentration eines Reaktionsteilnehmers
und dem entsprechenden Zeitabschnitt.
Man kann sie erfassen als Zunahme der Konzentration der Produkte, dann hat sie
ein positives Vorzeichen, oder als Abnahme der Konzentration der Edukte, dann hat
sie ein negatives Vorzeichen.
Momentane Reaktionsgeschwindigkeit:
Die in einem genügend kleinen Zeitraum gemessene mittlere Reaktionsgeschwindigkeit nennt
man momentane Reaktionsgeschwindigkeit. Geschwindigkeit zu genau einem Zeitpunkt.
lim
∆t→0
∆c
∆t
17.9.1 Zusammenfassung
• Bei Reaktionen reagieren immer Edukte zu Produkten.
• Die Reaktionsgeschwindigkeit misst man also durch die Entstehung der Produkte oder
das „Verschwinden“ der Edukte.
464
Die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit
• Misst man das Verschwinden der Edukte, so erhält die Reaktionsgeschwindigkeit deﬁnitionsgemäß ein negatives Vorzeichen.
• Von Interesse ist für Chemiker besonders die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit: vv =
∆V / ∆t
• Messen lässt sich praktischerweise das Entstehen oder Verschwinden eines Volumens (bei
Gasreaktionen) oder die Zunahme oder Abnahme der Stoﬀmenge (n) eines Teilchens, da
die Stoﬀmengezum Volumen in direkt proportionaler Beziehung steht: n = V0 / Vm (Vm
=22,4 l/mol)
• Für solche Reaktionen ist die Reaktionsgeschwindigkeit : vn = ∆ n/ ∆ t
• Als dritte Methode kann die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Änderung von Stoﬀmengenkonzentration (c) gemessen werden (leicht in wässrigen Systemen durch z.B. passende
Ionennachweise). Bei solchen Reaktionen ist die Konzentration der Stoﬀmenge direkt
proportional: c = v/V(Lsg.) , wobei V(Lsg) als konstant angenommen werden kann. Die
Reaktionsgeschwindigkeit ist also vc = ∆ c/ ∆ t.
Aufgaben
1. Nenne Möglichkeiten Reaktionsgeschwindigkeiten zu messen.
2. Wovon hängt die Reaktionsgeschwindigkeit ab.
3. Eine Zinkgranalie und die gleiche Masse an Zinkpulver reagieren Salzsäurea)
a)Stelle die Reaktionsgleichung auf
b) Was für ein Reaktionstyp liegt vor?
c) Wie unterscheiden sich die Reaktionsgeschwindigkeiten
4. Erkläre den Zusammenhang zwischen Oberﬂäche (Verteilungsgrad) und der Reaktionsgeschwindigkeit.
5. Magnesium reagiert mit Salzsäure. Nach 1 min. misst man ein Wasserstoﬀvolumen
von 30 mL.
a) Stelle die Reaktionsgleichung auf und benenne alle Stoﬀe
b) Bestimme die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit vr in mol/s
6. Salzsäure reagiert auch mit Calciumcarbonat. Es bildet sich wiederum ein Gas. Nach
2min. wird eine Massenabnahme von 0,960 g gemessen. Berechne die mittlere Änderung der Stoﬀmenge des Kohlenstoﬀdioxids. M(CO2 ) = 44 g/mol
7. Die Wasserstoﬀperoxidkonzentration einer wässrigen Wasserstoﬀperoxidlösung nimmt
bei der folgenden Reaktion ab:
2 H2 O −→ 2H2 O + O2
Es liegen folgende Konzentrationen vor:
c0 (H2 O2 ) = 0,98 mol/l
c1 (H2 O2 ) = 0,74 mol/l
Berechnen Sie den zugehörigen Zeitabschnitt, wenn die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit vr = -7,48 mol/l·s im betrachteten Zeitabschnitt ist.
465
Elektrochemie I
17.10 Erklärung für die Konzentrationsabhängigkeit
chemischer Reaktionen
17.10.1 Voraussetzungen für das Zustandekommen einer Reaktion - die
Stoßtheorie
Damit Teilchen miteinander reagieren können, müssen diese
• zusammenstoßen
• eine genügend hohe Geschwindigkeit haben, um sich auch zu treﬀen (sie müssen also
genug kinetische Energie haben)
• die richtige räumliche Orientierung haben
A
B
Teil- A: 1
chen- B: 2
zahl
er- 1 . 2 = 2
folgversprechende
Zusammenstoßmöglichkeiten
A
B
A: 2
B: 2
2.2=4
A
B
A: 2
B: 3
2.3=6
Deﬁnition
Das Aufeinandertreﬀen von miteinander reagierenden Teilchen ist bei geringer konzentrierten Lösungen unwahrscheinlicher � die Reaktionsgeschwindigkeit ist geringer
Beispiel
A + B −→ C (geschwindigkeitsbestimmender Schritt einer Reaktion)
Ist das Zusammentreﬀen beider Reaktionspartner wichtig, so ergibt sich:
v = k · c(A) · c(B) bimolekulare Reaktion
Erhöht man jetzt die Konzentration, also die Dichte der Teilchen, so erhöht sich auch die
Reaktionsgeschwindigkeit.
Deﬁnition
Bei bimolekularen Reaktionen ist die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zum Produkt der Konzentration der beiden Edukte.
Herleitung über die Stoßzahl s:
466
Kinetik
s ˜ N(A) · N(B) mit N = n · NA
→ s ˜ n(A) · NA · n(B) · NA mit c = n/V <=> n= cV
→ s ˜ c(A) · V · NA · c(B) · V · NA mit V, NA = konst
→ s ˜ c(A) · c(B)
→ v ˜ c(A) · c(B)
→ v = k · c(A) · c(B)
Weitergehendes Beispiel:
Reaktion A + B → C + D
AABB: 4 Möglichkeiten für Zusammenstöße
AAAABB: 8 Möglichkeiten für Zusammenstöße
AAAABBBB: 16 Möglichkeiten für Zusammenstöße
Deﬁnition
Bei großen Konzentrationen sind viele Moleküle im Reaktionsgefäß vorhanden. Die
Wahrscheinlichkeit für einen Zusammenstoß, bei dem die Moleküle zum Reaktionsprodukt reagieren, ist folglich sehr hoch -> die Reaktion läuft schnell ab.
Die Zahl der Zusammenstöße pro Zeiteinheit (also auch die Geschwindigkeit der Reaktion) ist umso größer, je mehr Teilchen in der Volumeneinheit vorhanden sind (=Konzentration).
Die Reaktionsgeschwindigkeit ist damit proportional dem Produkt der Konzentrationen der
Stoﬀe A und B.
v = k · c(A) · c(B)
k = Geschwindigkeitskonstante
1. charakteristisch für eine Reaktion
2. abhängig von der Temperatur)
Deﬁnition
Die Geschwindigkeitskonstante k ist ein Maß für die Zahl der erfolgreichen Zusammenstöße.
Zusatzinformationen
w:Stoßtheorie10
17.11 Kinetik
Die Reaktionsgeschwindigkeit ist abhängig von:
10
http://de.wikipedia.org/wiki/Sto%C3%9Ftheorie
467
Elektrochemie I
• den chemischen Eigenschaften der Reaktionspartner
• dem Verteilungsgrad (bzw. Oberﬂäche) und der Durchmischung der Reaktionspartner
• der Konzentration
17.11.1 Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der
Konzentration
1. bimolekulare Reaktion:
A + B −→ C + D
v = k · c(A) · c(B)
2. monomolekulare Reaktion:
A + B −→ C
v = k · c(A)
3. bimolekulare Reaktionen mit Gasen (ausgedrückt über Partialdruck p)
v = k · p(A) · p(B) da p ˜ c
----
468
18 Reaktionskinetik
18.1 Nachweis von Ionen
Praktikum Anorganische Chemie1 Ionen sind für den Menschen in der Regel unsichtbar. Um
sie nachzuweisen muss man sie zu einer „sichtbaren“ Form reagieren lassen (z.B. schwerlösliche Salze, farbige Verbindungen oder Gase).
18.1.1 Nachweis durch Fällungsreaktionen oder Farbreaktionen
V: Kippe die folgenden Lösungen zusammen und untersuche das Ergebnis
B: In einigen Fällen kommt es zu einer Trübung
1
http://de.wikibooks.org/wiki/Praktikum%20Anorganische%20Chemie
469
470
K2 CrO4
KNO3
BaCl2
KCl
K2 SO4
AgNO3
CuSO4
KCl
x
K2 SO4
x
x
AgNO3
AgCl ↓
CuSO4
x
x
BaCl2
BaSO4 ↓
AgCl ↓
BaSO4 ↓
K2 CrO4
Ag2 (CrO4 )↓
Cu(CrO4 )
↓
Ba(CrO4 )↓
(gelb)
x
x
-
KNO3
-
Reaktionskinetik
Übersicht über verschiedene Ionennachweise
S: Immer wenn ein Feststoﬀ entstanden ist, lag eine Fällungsreaktion vor. gelöste Ionen
haben sich in der Lösung „gefunden“ und ein schwerlösliches Salz gebildet.
Am ehesten kann man Fällungen mit einer Analogie erklären:
Die 10. Klasse fährt im engen Bus ins Schwimmbad. Im Bus sind alle eng zusammen (=Feststoﬀ), im Wasser bewegen sich die Schüler dann wild hin und her. Treﬀen aber zwei „Verliebte“ aufeinander, so lassen sie sich nicht mehr los und sind (fast) untrennbar miteinander
verbunden... ;-)
18.1.2 Wie entsteht ein schwerlösliches Salz?
In ein Becherglas werden die festen Salze Natriumsulfat Na2 + SO4 2- und Bariumchlorid
Ba2+ Cl2 - gegeben. Beide Salze lösen sich auf und zerfallen in ihre nun frei beweglichen
Ionen.
Natriumsulfat
(aq)
+ Bariumchlorid
(aq)
→ Bariumsulfat (f) ↓ + Natriumchlorid
(aq)
Deﬁnition
Salze lösen sich meist gut in Wasser. Treﬀen aber zwei Ionen zusammen, deren Kombination ein schwer lösliches Salz ergibt, so fällt dieses auch sofort als Feststoﬀ aus (erkennbar
am Niederschlag → Trübung). Man nennt dies eine Fällungsreaktion.
In Reaktionsgleichungen wird das Ausfallen einen Stoﬀes mit einem ↓ oder einem (s) für
solid hinter der Summenformel des Stoﬀs gekennzeichnet.
Fällungsreaktionen sind als Nachweis für Ionen geeignet. Durch das Verwenden von speziﬁschen Fällungsreaktionen ist es möglich, einzelne Bestandteile einer Lösung zu identiﬁzieren,
also nachzuweisen. Dies ist sehr wichtig zum Nachweis von geringen Ionen Konzentrationen
bei chemischen Analysen (Trinkwasseruntersuchung oder Lebensmitteluntersuchung). Fällungsreaktionen können auch zum Ausfällen von störenden Ionen verwendet werden, z.B. bei
der Reinigung von Klärwasser in der chemischen Stufe der Kläranlage verwendet werden.
18.2 Übersicht über verschiedene Ionennachweise
18.2.1 Nachweis von Cl--Ionen
Nachweis durch: Zugabe von Ag+ - Ionen Lösung (z.B. AgNO3 )
Beispiel: Cl- (aq) + Ag+ (aq) → Ag+ Cl- (s) ↓2
Nachweis → weißer Niederschlag
18.2.2 Nachweis von Ag+-Ionen
Zum Nachweis von Silberionen verfährt man entsprechend umgekehrt
2
Beachte, dass E0 Konzentrationsabhängig ist
471
Reaktionskinetik
18.2.3 Nachweis von SO42--Ionen
Nachweis durch:Zugabe von Ba2+ Ionenlösung
Beispiel:Ba2+ (aq) + SO4 2- (aq) → Ba2+ SO4 2- (s) ↓
Nachweis → weißer Niederschlag
18.2.4 Nachweis von Ba2+-Ionen
Zum Nachweis von Bariumionen verfährt man entsprechend umgekehrt
18.2.5 Nachweis von Fe3+-Ionen
Nachweis durch: Zugabe von Cyanatlösung (z.B: Kaliumthiocyanatlösung)
Reaktion: Fe3+ (aq) + 3 SCN- (aq) → Fe3+ (SCN- )3
Nachweis → Keine Fällungsreaktion! → tiefrot
18.2.6 Nachweis von Cu2+-Ionen
Nachweis durch: Zugabe von Ammoniak oder Ammoniakwasser
Reaktion: Cu2+ + 4 NH3 → [Cu(NH3 )4 ]2+
Nachweis → tiefblaue Farbe (=Kupfertetraminkomplex)
Keine Fällungsreaktion! Komplexreaktion!
18.2.7 Nachweis von CO32--Ionen
Nachweis durch: bei Säurezugabe entsteht Kohlenstoﬀdioxid, welches als Gas oft am Zischen
erkennbar ist.
Reaktion: 2 HCl + CO3 2- → H2 CO3 + 2 Cl- → CO2 + H2 O
Nachweis → Die Lösung schäumt stark auf. (CO2 -Bildung)
Keine Fällungsreaktion!
18.3 Tabellarische Übersicht über wichtige
Nachweisreaktionen
Nachzuweisender Soﬀ
Ag+
Ba2+
472
mögl. Nachweissubstanz
NaCl, KCl
K2 SO4
Nachweis durch Bildung von:
AgCl
BaSO4
weißer NS
weißer NS
Weitere Nachweise
Nachzuweisender Soﬀ
Cu2+
Cu2+
Fe3+
CO3 2ClSO4 CrO4 2H2
O2
CO2
mögl. Nachweissubstanz
K2 CrO4
NH3
KSCN
HCl
AgNO3
BaCl2
BaCl2
O2 (Knallgasprobe)
C(Glimmspanprobe)
Ca(OH)2 (Kalkwasser)
Nachweis durch Bildung von:
CuCrO4
Cu[NH3 ]4
FeSCN3
CO2
AgCl
BaSO4
BaCrO4
H2 O
grüner NS
tiefblaue Farbe
tiefrote Farbe
aufschäumen
weißer NS
weißer NS
gelber NS
Knall
CaCO3
Glimmen
weißer NS
18.4 Weitere Nachweise
Analysemethoden zum Nachweis von Ionen und Molekülen (z.B. Photometrie)
Zusatzinformationen
• w:Fotometrie3
• w:Fotometer4
3
4
http://de.wikipedia.org/wiki/Fotometrie
http://de.wikipedia.org/wiki/Fotometer
473
19 Löslichkeit von Salzen und das
Löslichkeitsprodukt
19.1 Das Löslichkeitsprodukt
Viele Stoﬀe, wie z.B. die Mehrheit der Salze löst sich in Wasser (mehr oder weniger gut1 ).
Nimmt man aber eine zu große Menge, löst sich nicht das ganze Salz auf, sondern es bleibt
ein Bodenkörper zurück. Bei schwerlöslichen Salzen kann man diesen oft schon bei geringen
Mengen des zugegebenen Salzes erkennen. Eine solche Lösung, bezeichnet man als gesättigt.
Zwischen einem solchen Bodenkörper und der darüber beﬁndlichen Lösung liegt ebenfalls
ein Gleichgewicht vor. Es handelt sich um den permanenten Übergang von Ionen aus dem
festen Salzkristall in ihre hydratisierte (also gelöste) Form und umgekehrt.
Am Beispiel des schwerlöslichen Salzes Silberchlorid wollen wir mal genauer hinschauen
Heterogenes Gleichgewicht der zwei Phasen
Bodenkörper / Lösung
Abb. 192
1
miniatur
Beachte, dass E0 Konzentrationsabhängig ist
475
Löslichkeit von Salzen und das Löslichkeitsprodukt
+
−
AgCl(s) ⇋ Ag(aq)
+ Cl(aq)
Da sich die Konzentration des Bodenkörpers in einem enormen Überschuss beﬁndet und
obendrein konstant ist, kann sie mit der Konstanten des MWG verrechnet werden:
Kc =
[Ag + ] · [Cl− ]
[AgCl]
Kc · [AgCl] = [Ag+ ] · [Cl- ]= L = Löslichkeitsprodukt (=maximale Ionenkonzentration)
Deﬁnition
Das Produkt der Ionenkonzentrationen einer gesättigten Salzlösung nennt man Löslichkeitsprodukt. Es gibt an, wie viel Salz, bei einer bestimmten Temperatur maximal gelöst
sein kann.
Dabei gilt, je kleiner das Löslichkeitsprodukt ist. desto schwerer löst sich ein Salz auf.
Nützliche Aussagen des Löslichkeitproduktes:
Man kann nun berechnen, wie viel Salz sich jeweils in einer Lösung löst, so dass kein Bodenkörper entsteht, bzw. genau berechnen, wie viel Salz zugegeben werden muss, damit sich
ein Bodenkörper bildet:
Deﬁnition
Bei Lösungsvorgängen fällt immer dann ein Feststoﬀ aus, wenn das Produkt der gelösten
Ionenkonzentrationen größerer als das Löslichkeitsprodukt wird.
19.2 Löslichkeit und Temperatur
Deﬁnition
Erhitzen führt zu einer schnelleren Einstellung des GGW, aber auch zu einer Verschiebung und zu einer Änderung der Gleichgewichtskonstanten.
Ein Katalysator beschleunigt die Reaktion ohne Veränderung der Gleichgewichtskonstanten.
19.3 Aufgaben zum Löslichkeitsprodukt
19.3.1 Silberchlorid
Silberchlorid gilt als schwerlösliches Salz, es ist allerdings nicht völlig unlöslich. Ein geringer
Anteil löst sich immer. Bei 25°C lösen sich beispielsweise 0,0019g AgCl in einem Liter
Wasser.
a) Bestimme die Stoﬀmenge und die Konzentration der Lösung.
476
Aufgaben zum Löslichkeitsprodukt
b) Bestimme das Löslichkeitsprodukt.
Notwendige Formeln
Stoﬀmenge(n) =
Masse(m)[g]
molare Masse(M )[g/Mol]
Konzentration(c) =
Stoﬀmenge(n)[Mol]
Volumen(V )[L]
Lösungsweg
Ziel: Einsetzten der Silberionen- und der Chloridionenkonzentration in das Löslichkeitsprodukt und so L ausrechnen.
1. Schritt: Um die Konzentrationen zu berechnen, die ja zum Einsetzten in das Löslichkeitsprodukt notwendig sind, benötigt man die Stoﬀmenge der Silberionen und der Chloridionen.
An diese gelangt man durch die Stoﬀmenge an AgCl:
M (AgCl) ← aus dem PSE ablesen: M(Ag) = 107,9 g/mol + M(Cl) = 35,5 g/mol = M(AgCl)
= 143,4 g/mol
n(AgCl) =
0,0019 g
m(AgCl)
=
= 1,32 · 10−5 Mol
M (AgCl) 143,4 g/Mol
2. Schritt: Aus der Reaktionsgleichung folgt das Verhältnis der Ionen zum Feststoﬀ:
+
−
AgCl(s) ⇋ Ag(aq)
+ Cl(aq)
Würden sich also z.B. 1 mol AgCl auﬂösen, so würden jeweils 1 mol Ag+ und 1mol Clbilden. Da nun in unserem Beispiel 1,32 · 10-5 mol AgCl aufgelöst werden, liegen auch 1,32
· 10-5 mol Ag+ und 1,32 · 10-5 mol Cl- vor.
3. Schritt - Berechnen der Konzentrationen:
Da die Aufgabe von einem Liter ausgeht, ist die Stoﬀmenge gleich der Konzentration:
c(Ag + ) = c(Cl− ) =
n(Ag)
1,32 · 10−5 Mol
=
= 1,32 · 10−5 Mol/L
V (Ag)
1L
4. Schritt: Einsetzten in die Formel des Löslichkeitsproduktes
[Ag+ ] · [Cl- ] = L
[1,32 · 10-5 mol/l] · [1,32 · 10-5 mol/l] = 1,74 10-10 mol2 /l2
477
Löslichkeit von Salzen und das Löslichkeitsprodukt
19.3.2 Bariumsulfat
Bei 25°C sind von einer gesättigten Bariumsulfatlösung 1,04 · 10-5 mol/l der Ba2+ -Ionen
gelöst. Berechne das Löslichkeitsprodukt
Lösung
BaSO4 (s) ⇌ Ba2+ (aq) + (SO4 )2- (aq)
Da die Konzentrationen von Ba2+ und SO4 2- im Gleichgewicht ja gleich sind gilt:
KL
(BaSO4)
= [Ba2+ ] · [(SO4 )2- ]
Also wäre KL ja das Quadrat der Ba2+ Konzentration.
K = 1,08 · 10-10 mol2 /l2
19.4 Löslichkeitsprodukte
• http://srdata.nist.gov/solubility/index.aspx
19.5 Wiederholungsaufgaben
Reaktionskinetik
Geschwindigkeit von Reaktionen
1. Nenne Kennzeichen einer chemischen Reaktionen
2. Erstelle für jeweils frei gewählte Reaktionen ein exothermes und ein endothermes
Energiediagramm
3. Was versteht man unter Enthalpie und Entropie?
4. Wie unterscheiden sich Standard- und Normalbedingungen?
5. Was versteht man unter Reaktionsgeschwindigkeit?
6. Welche Faktoren beeinﬂussen die Reaktionsgeschwindigkeit?
7. Wie unterscheiden sich mittlere und momentane Reaktionsgeschwindigkeit?
8. Erkläre die Faktoren mit einer Modellvorstellung der wirksamen Zusammenstöße.
9. Wie kann man die Reaktionsgeschwindigkeit messen? Nenne verschiedene praktische
Möglichkeiten.
10. Eine Zinkgranalie und die gleiche Masse an Zinkpulver reagieren Salzsäure. Stelle die
Reaktionsgleichung auf und ﬁnde Wege die Reaktionsgeschwindigkeit zu bestimmen.
11. Magnesium reagiert mit Salzsäure. Nach 1min. misst man ein Wasserstoﬀvolumen von
30ml.
a) Stelle die Reaktionsgleichung auf und benenne alle Stoﬀe
b) Bestimme die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit vr in mol/s
12. Salzsäure reagiert auch mit Calciumcarbonat. Es bildet sich wiederum ein Gas. Nach
2min. wird eine Massenabnahme von 0,960g gemessen. Berechne die mittlere Änderung
der Stoﬀmenge des Kohlenstoﬀdioxids. M(CO2 ) = 44 g/mol
478
Wiederholungsaufgaben
13. Die Wasserstoﬀperoxidkonzentration einer wässrigen Wasserstoﬀperoxidlösung nimmt
bei der folgenden Reaktion ab: 2 H2 O2 → 2 H2 O + O2 . Es liegen folgende Konzentrationen vor: c0 (H2 O2 ) = 0,98 mol/l // c1 (H2 O2 ) = 0,74 mol/l Berechne den zugehörigen Zeitabschnitt, wenn die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit vr = - 7,48 mol
/l·s im betrachteten Zeitabschnitt ist.
14. Welchen Einﬂuss haben Katalysatoren auf die Reaktionsgeschwindigkeit?
Analytik und Ionennachweise
1.
2.
3.
4.
Was ist eine Fällungsreaktion? Was ist ein schwerlösliches Salz?
Welche Eigenschaft eines Salzes macht es schwerlöslich?
Wie kann man Fällungsreaktionen für analytische Nachweise einsetzten?
Nenne Nachweise für Chloridionen, Sulfationen, Eisenionen und Kupferionen. Wie
funktionieren sie jeweils?
5. Nenne mindestens 4 weitere Nachweise.
Das chemische Gleichgewicht
1. Erkläre das Eisenthiocyanatgleichgewicht.
2. Deﬁniere chemisches Gleichgewicht.
3. Warum kann man sagen das chemische Gleichgewichtsreaktionen äußerlich zum Stillstand gekommen sind?
4. Warum sind chemische Gleichgewichte dynamisch?
5. Nenne das Prinzip von Le Chatellier
6. Nenne zu jeder der vier Arten von Gleichgewichtsreaktionen je ein Beispiel: (Lösungsgleichgewicht, Gasgleichgewicht, Säure-Base-Gleichgewicht, Redox-Gleichgewicht).
7. Erkläre das Chromat/ Dichromatgleichgewicht genau.
8. Erkläre das Stickoxidgleichgewicht genau.
9. Das Iodwasserstoﬀgleichgewicht ist ein gutes Beispiel für Le Chatellier. Wende sein
Prinzip auf dieses Gleichgewicht an und erkläre Auswirkungen, wenn man Druck bzw.
Temperatur verändert.
10. Was ist das MWG?= Wie stallt man es auf und welche Aussage triﬀt K?
11. Erkläre warum Mineralwasser in einer Sprudelﬂasche nach einiger Zeit kein „Sprudel“
mehr enthält.
12. Fasse zusammen: Wie kann man ein Gleichgewicht verschieben?
13. Erkläre das Gasgleichgewicht in den Lungenbläschen, welches zwischen Luftsauerstoﬀ
und gelöstem Sauerstoﬀ im Blut herrscht.
14. Beschreibe die Ammoniaksynthese. Bei welchen Bedingungen ﬁndet sie statt? Warum
gerade bei diesen Bedingungen?
15. Beschreibe das Boudouard-Gleichgewicht.
16. Welche Gleichgewichte spielen bei der Produktion von Schwefelsäure ein Rolle?
17. Rechne alle Gleichgewichtsaufgaben im Buch
18. Welche der folgenden Reaktionen reagiert (und in welcher Weise) auf eine Veränderung
des Volumens?
C + CO2 ⇌ 2CO
CH4 + H2 O ⇌ CO + 3H2
CO + NO2 ⇌ CO2 + NO
CaCO3 ⇌ CaO + CO2
2CH4 + O2 + 4N2 ⇌ 2CO + 4H2 + 4N2
479
Löslichkeit von Salzen und das Löslichkeitsprodukt
2NO + O2 ⇌ 2NO2
CO + H2 O ⇌ CO2 + H2
Löslichkeit von Salzen
1.
2.
3.
4.
Was versteht man unter einem Löslichkeitsgleichgewicht?
Wie berechnet man KL ?
Begründe, warum die Löslichkeit von Salzen Temperaturabhängig ist
Nenne die Formel zu Berechnung der Stoﬀmenge und die Formel zur Berechnung der
Konzentration.
5. Wie kann man an KL ablesen, ob ein Salz bei einer bestimmten Konzentration als
Feststoﬀ ausfällt?
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NEUROtiker80 , NEUROtiker81
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http:////en.wikipedia.org/wiki/de:Benutzer:BirgitLachner
http:////commons.wikimedia.org/wiki/User:Sundance_Raphael
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http:////de.wikipedia.org/wiki/User:Karbr%C3%BCggen
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H. Hoﬀmeister
H. Hoﬀmeister
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en.wikipedia . Convert into SVG by
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107
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Pdbailey108 at en.wikipedia109 Later versions were uploaded by Cryptic C62110 at en.wikipedia111 . Convert into
SVG by Lilyu112 from Image:MaxwellBoltzmann.gif113 .
StefanPohl114 , StefanPohl115
H. Hoﬀmeister
H. Hoﬀmeister
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H. Hoﬀmeister
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http://en.wikipedia.org
http:////en.wikipedia.org/wiki/User:Cryptic_C62
http://en.wikipedia.org
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http:////commons.wikimedia.org/wiki/User:StefanPohl
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22 Licenses
22.1 GNU GENERAL PUBLIC LICENSE
Version 3, 29 June 2007
Copyright © 2007 Free Software Foundation, Inc. <http://fsf.org/>
Everyone is permitted to copy and distribute verbatim copies of this
license document, but changing it is not allowed. Preamble
The GNU General Public License is a free, copyleft license for software
and other kinds of works.
The licenses for most software and other practical works are designed
to take away your freedom to share and change the works. By contrast, the GNU General Public License is intended to guarantee your
freedom to share and change all versions of a program--to make sure
it remains free software for all its users. We, the Free Software Foundation, use the GNU General Public License for most of our software;
it applies also to any other work released this way by its authors. You
can apply it to your programs, too.
When we speak of free software, we are referring to freedom, not price.
Our General Public Licenses are designed to make sure that you have
the freedom to distribute copies of free software (and charge for them
if you wish), that you receive source code or can get it if you want
it, that you can change the software or use pieces of it in new free
programs, and that you know you can do these things.
To protect your rights, we need to prevent others from denying you
these rights or asking you to surrender the rights. Therefore, you have
certain responsibilities if you distribute copies of the software, or if you
modify it: responsibilities to respect the freedom of others.
For example, if you distribute copies of such a program, whether gratis
or for a fee, you must pass on to the recipients the same freedoms that
you received. You must make sure that they, too, receive or can get
the source code. And you must show them these terms so they know
their rights.
Developers that use the GNU GPL protect your rights with two steps:
(1) assert copyright on the software, and (2) oﬀer you this License
giving you legal permission to copy, distribute and/or modify it.
For the developers' and authors' protection, the GPL clearly explains
that there is no warranty for this free software. For both users' and
authors' sake, the GPL requires that modiﬁed versions be marked as
changed, so that their problems will not be attributed erroneously to
authors of previous versions.
Some devices are designed to deny users access to install or run modiﬁed versions of the software inside them, although the manufacturer
can do so. This is fundamentally incompatible with the aim of protecting users' freedom to change the software. The systematic pattern of
such abuse occurs in the area of products for individuals to use, which
is precisely where it is most unacceptable. Therefore, we have designed
this version of the GPL to prohibit the practice for those products. If
such problems arise substantially in other domains, we stand ready to
extend this provision to those domains in future versions of the GPL,
as needed to protect the freedom of users.
Finally, every program is threatened constantly by software patents.
States should not allow patents to restrict development and use of software on general-purpose computers, but in those that do, we wish to
avoid the special danger that patents applied to a free program could
make it eﬀectively proprietary. To prevent this, the GPL assures that
patents cannot be used to render the program non-free.
The precise terms and conditions for copying, distribution and modiﬁcation follow. TERMS AND CONDITIONS 0. Deﬁnitions.
“This License” refers to version 3 of the GNU General Public License.
“Copyright” also means copyright-like laws that apply to other kinds
of works, such as semiconductor masks.
“The Program” refers to any copyrightable work licensed under this License. Each licensee is addressed as “you”. “Licensees” and “recipients”
may be individuals or organizations.
To “modify” a work means to copy from or adapt all or part of the work
in a fashion requiring copyright permission, other than the making of
an exact copy. The resulting work is called a “modiﬁed version” of the
earlier work or a work “based on” the earlier work.
A “covered work” means either the unmodiﬁed Program or a work based on the Program.
To “propagate” a work means to do anything with it that, without permission, would make you directly or secondarily liable for infringement
under applicable copyright law, except executing it on a computer or
modifying a private copy. Propagation includes copying, distribution
(with or without modiﬁcation), making available to the public, and in
some countries other activities as well.
To “convey” a work means any kind of propagation that enables other
parties to make or receive copies. Mere interaction with a user through
a computer network, with no transfer of a copy, is not conveying.
An interactive user interface displays “Appropriate Legal Notices” to
the extent that it includes a convenient and prominently visible feature
that (1) displays an appropriate copyright notice, and (2) tells the user
that there is no warranty for the work (except to the extent that warranties are provided), that licensees may convey the work under this
License, and how to view a copy of this License. If the interface presents a list of user commands or options, such as a menu, a prominent
item in the list meets this criterion. 1. Source Code.
The “source code” for a work means the preferred form of the work for
making modiﬁcations to it. “Object code” means any non-source form
of a work.
A “Standard Interface” means an interface that either is an oﬃcial
standard deﬁned by a recognized standards body, or, in the case of
interfaces speciﬁed for a particular programming language, one that is
widely used among developers working in that language.
The “System Libraries” of an executable work include anything, other
than the work as a whole, that (a) is included in the normal form of
packaging a Major Component, but which is not part of that Major
Component, and (b) serves only to enable use of the work with that
Major Component, or to implement a Standard Interface for which an
implementation is available to the public in source code form. A “Major Component”, in this context, means a major essential component
(kernel, window system, and so on) of the speciﬁc operating system (if
any) on which the executable work runs, or a compiler used to produce
the work, or an object code interpreter used to run it.
The “Corresponding Source” for a work in object code form means all
the source code needed to generate, install, and (for an executable
work) run the object code and to modify the work, including scripts to
control those activities. However, it does not include the work's System
Libraries, or general-purpose tools or generally available free programs
which are used unmodiﬁed in performing those activities but which are
not part of the work. For example, Corresponding Source includes interface deﬁnition ﬁles associated with source ﬁles for the work, and the
source code for shared libraries and dynamically linked subprograms
that the work is speciﬁcally designed to require, such as by intimate
data communication or control ﬂow between those subprograms and
other parts of the work.
The Corresponding Source need not include anything that users can
regenerate automatically from other parts of the Corresponding Source.
The Corresponding Source for a work in source code form is that same
work. 2. Basic Permissions.
All rights granted under this License are granted for the term of copyright on the Program, and are irrevocable provided the stated conditions are met. This License explicitly aﬃrms your unlimited permission
to run the unmodiﬁed Program. The output from running a covered
work is covered by this License only if the output, given its content,
constitutes a covered work. This License acknowledges your rights of
fair use or other equivalent, as provided by copyright law.
You may make, run and propagate covered works that you do not convey, without conditions so long as your license otherwise remains in
force. You may convey covered works to others for the sole purpose
of having them make modiﬁcations exclusively for you, or provide you
with facilities for running those works, provided that you comply with
the terms of this License in conveying all material for which you do not
control copyright. Those thus making or running the covered works for
you must do so exclusively on your behalf, under your direction and
control, on terms that prohibit them from making any copies of your
copyrighted material outside their relationship with you.
Conveying under any other circumstances is permitted solely under
the conditions stated below. Sublicensing is not allowed; section 10
makes it unnecessary. 3. Protecting Users' Legal Rights From AntiCircumvention Law.
No covered work shall be deemed part of an eﬀective technological measure under any applicable law fulﬁlling obligations under article 11 of
the WIPO copyright treaty adopted on 20 December 1996, or similar
laws prohibiting or restricting circumvention of such measures.
When you convey a covered work, you waive any legal power to forbid
circumvention of technological measures to the extent such circumvention is eﬀected by exercising rights under this License with respect
to the covered work, and you disclaim any intention to limit operation or modiﬁcation of the work as a means of enforcing, against the
work's users, your or third parties' legal rights to forbid circumvention
of technological measures. 4. Conveying Verbatim Copies.
You may convey verbatim copies of the Program's source code as you
receive it, in any medium, provided that you conspicuously and appropriately publish on each copy an appropriate copyright notice; keep intact all notices stating that this License and any non-permissive terms
added in accord with section 7 apply to the code; keep intact all notices of the absence of any warranty; and give all recipients a copy of
this License along with the Program.
You may charge any price or no price for each copy that you convey, and you may oﬀer support or warranty protection for a fee. 5.
Conveying Modiﬁed Source Versions.
You may convey a work based on the Program, or the modiﬁcations
to produce it from the Program, in the form of source code under the
terms of section 4, provided that you also meet all of these conditions:
* a) The work must carry prominent notices stating that you modiﬁed
it, and giving a relevant date. * b) The work must carry prominent
notices stating that it is released under this License and any conditions
added under section 7. This requirement modiﬁes the requirement in
section 4 to “keep intact all notices”. * c) You must license the entire
work, as a whole, under this License to anyone who comes into possession of a copy. This License will therefore apply, along with any
applicable section 7 additional terms, to the whole of the work, and
all its parts, regardless of how they are packaged. This License gives
no permission to license the work in any other way, but it does not
invalidate such permission if you have separately received it. * d) If
the work has interactive user interfaces, each must display Appropriate
Legal Notices; however, if the Program has interactive interfaces that
do not display Appropriate Legal Notices, your work need not make
them do so.
A compilation of a covered work with other separate and independent
works, which are not by their nature extensions of the covered work,
and which are not combined with it such as to form a larger program,
in or on a volume of a storage or distribution medium, is called an
“aggregate” if the compilation and its resulting copyright are not used
to limit the access or legal rights of the compilation's users beyond
what the individual works permit. Inclusion of a covered work in an
aggregate does not cause this License to apply to the other parts of
the aggregate. 6. Conveying Non-Source Forms.
You may convey a covered work in object code form under the terms of
sections 4 and 5, provided that you also convey the machine-readable
Corresponding Source under the terms of this License, in one of these
ways:
* a) Convey the object code in, or embodied in, a physical product (including a physical distribution medium), accompanied by the Corresponding Source ﬁxed on a durable physical medium customarily used
for software interchange. * b) Convey the object code in, or embodied
in, a physical product (including a physical distribution medium), accompanied by a written oﬀer, valid for at least three years and valid
for as long as you oﬀer spare parts or customer support for that product model, to give anyone who possesses the object code either (1) a
copy of the Corresponding Source for all the software in the product
that is covered by this License, on a durable physical medium customarily used for software interchange, for a price no more than your
reasonable cost of physically performing this conveying of source, or
(2) access to copy the Corresponding Source from a network server
at no charge. * c) Convey individual copies of the object code with a
copy of the written oﬀer to provide the Corresponding Source. This
alternative is allowed only occasionally and noncommercially, and only if you received the object code with such an oﬀer, in accord with
subsection 6b. * d) Convey the object code by oﬀering access from a
designated place (gratis or for a charge), and oﬀer equivalent access to
the Corresponding Source in the same way through the same place at
no further charge. You need not require recipients to copy the Corresponding Source along with the object code. If the place to copy the
object code is a network server, the Corresponding Source may be on a
diﬀerent server (operated by you or a third party) that supports equivalent copying facilities, provided you maintain clear directions next
to the object code saying where to ﬁnd the Corresponding Source. Regardless of what server hosts the Corresponding Source, you remain
obligated to ensure that it is available for as long as needed to satisfy these requirements. * e) Convey the object code using peer-to-peer
transmission, provided you inform other peers where the object code
and Corresponding Source of the work are being oﬀered to the general
public at no charge under subsection 6d.
your license, and (b) permanently, if the copyright holder fails to notify you of the violation by some reasonable means prior to 60 days
after the cessation.
A separable portion of the object code, whose source code is excluded from the Corresponding Source as a System Library, need not be
included in conveying the object code work.
Termination of your rights under this section does not terminate the
licenses of parties who have received copies or rights from you under
this License. If your rights have been terminated and not permanently
reinstated, you do not qualify to receive new licenses for the same material under section 10. 9. Acceptance Not Required for Having Copies.
A “User Product” is either (1) a “consumer product”, which means any
tangible personal property which is normally used for personal, family,
or household purposes, or (2) anything designed or sold for incorporation into a dwelling. In determining whether a product is a consumer
product, doubtful cases shall be resolved in favor of coverage. For a
particular product received by a particular user, “normally used” refers to a typical or common use of that class of product, regardless of
the status of the particular user or of the way in which the particular
user actually uses, or expects or is expected to use, the product. A
product is a consumer product regardless of whether the product has
substantial commercial, industrial or non-consumer uses, unless such
uses represent the only signiﬁcant mode of use of the product.
“Installation Information” for a User Product means any methods, procedures, authorization keys, or other information required to install
and execute modiﬁed versions of a covered work in that User Product
from a modiﬁed version of its Corresponding Source. The information
must suﬃce to ensure that the continued functioning of the modiﬁed
object code is in no case prevented or interfered with solely because
modiﬁcation has been made.
If you convey an object code work under this section in, or with, or
speciﬁcally for use in, a User Product, and the conveying occurs as part
of a transaction in which the right of possession and use of the User
Product is transferred to the recipient in perpetuity or for a ﬁxed term
(regardless of how the transaction is characterized), the Corresponding
Source conveyed under this section must be accompanied by the Installation Information. But this requirement does not apply if neither
you nor any third party retains the ability to install modiﬁed object
code on the User Product (for example, the work has been installed in
ROM).
The requirement to provide Installation Information does not include
a requirement to continue to provide support service, warranty, or updates for a work that has been modiﬁed or installed by the recipient, or
for the User Product in which it has been modiﬁed or installed. Access
to a network may be denied when the modiﬁcation itself materially
and adversely aﬀects the operation of the network or violates the rules
and protocols for communication across the network.
Corresponding Source conveyed, and Installation Information provided, in accord with this section must be in a format that is publicly
documented (and with an implementation available to the public in
source code form), and must require no special password or key for
unpacking, reading or copying. 7. Additional Terms.
“Additional permissions” are terms that supplement the terms of this
License by making exceptions from one or more of its conditions. Additional permissions that are applicable to the entire Program shall
be treated as though they were included in this License, to the extent
that they are valid under applicable law. If additional permissions apply only to part of the Program, that part may be used separately
under those permissions, but the entire Program remains governed by
this License without regard to the additional permissions.
When you convey a copy of a covered work, you may at your option
remove any additional permissions from that copy, or from any part
of it. (Additional permissions may be written to require their own removal in certain cases when you modify the work.) You may place
additional permissions on material, added by you to a covered work,
for which you have or can give appropriate copyright permission.
Notwithstanding any other provision of this License, for material you
add to a covered work, you may (if authorized by the copyright holders
of that material) supplement the terms of this License with terms:
* a) Disclaiming warranty or limiting liability diﬀerently from the
terms of sections 15 and 16 of this License; or * b) Requiring preservation of speciﬁed reasonable legal notices or author attributions in
that material or in the Appropriate Legal Notices displayed by works
containing it; or * c) Prohibiting misrepresentation of the origin of
that material, or requiring that modiﬁed versions of such material be
marked in reasonable ways as diﬀerent from the original version; or *
d) Limiting the use for publicity purposes of names of licensors or authors of the material; or * e) Declining to grant rights under trademark
law for use of some trade names, trademarks, or service marks; or *
f) Requiring indemniﬁcation of licensors and authors of that material
by anyone who conveys the material (or modiﬁed versions of it) with
contractual assumptions of liability to the recipient, for any liability
that these contractual assumptions directly impose on those licensors
and authors.
All other non-permissive additional terms are considered “further restrictions” within the meaning of section 10. If the Program as you
received it, or any part of it, contains a notice stating that it is governed by this License along with a term that is a further restriction, you
may remove that term. If a license document contains a further restriction but permits relicensing or conveying under this License, you may
add to a covered work material governed by the terms of that license
document, provided that the further restriction does not survive such
relicensing or conveying.
If you add terms to a covered work in accord with this section, you
must place, in the relevant source ﬁles, a statement of the additional
terms that apply to those ﬁles, or a notice indicating where to ﬁnd the
applicable terms.
Additional terms, permissive or non-permissive, may be stated in the
form of a separately written license, or stated as exceptions; the above
requirements apply either way. 8. Termination.
You may not propagate or modify a covered work except as expressly
provided under this License. Any attempt otherwise to propagate or
modify it is void, and will automatically terminate your rights under
this License (including any patent licenses granted under the third
paragraph of section 11).
However, if you cease all violation of this License, then your license
from a particular copyright holder is reinstated (a) provisionally, unless and until the copyright holder explicitly and ﬁnally terminates
Moreover, your license from a particular copyright holder is reinstated
permanently if the copyright holder notiﬁes you of the violation by
some reasonable means, this is the ﬁrst time you have received notice
of violation of this License (for any work) from that copyright holder,
and you cure the violation prior to 30 days after your receipt of the
notice.
You are not required to accept this License in order to receive or run
a copy of the Program. Ancillary propagation of a covered work occurring solely as a consequence of using peer-to-peer transmission to
receive a copy likewise does not require acceptance. However, nothing
other than this License grants you permission to propagate or modify
any covered work. These actions infringe copyright if you do not accept
this License. Therefore, by modifying or propagating a covered work,
you indicate your acceptance of this License to do so. 10. Automatic
Licensing of Downstream Recipients.
Each time you convey a covered work, the recipient automatically receives a license from the original licensors, to run, modify and propagate that work, subject to this License. You are not responsible for
enforcing compliance by third parties with this License.
An “entity transaction” is a transaction transferring control of an organization, or substantially all assets of one, or subdividing an organization, or merging organizations. If propagation of a covered work
results from an entity transaction, each party to that transaction who
receives a copy of the work also receives whatever licenses to the work
the party's predecessor in interest had or could give under the previous
paragraph, plus a right to possession of the Corresponding Source of
the work from the predecessor in interest, if the predecessor has it or
can get it with reasonable eﬀorts.
You may not impose any further restrictions on the exercise of the
rights granted or aﬃrmed under this License. For example, you may
not impose a license fee, royalty, or other charge for exercise of rights
granted under this License, and you may not initiate litigation (including a cross-claim or counterclaim in a lawsuit) alleging that any
patent claim is infringed by making, using, selling, oﬀering for sale, or
importing the Program or any portion of it. 11. Patents.
A “contributor” is a copyright holder who authorizes use under this
License of the Program or a work on which the Program is based. The
work thus licensed is called the contributor's “contributor version”.
A contributor's “essential patent claims” are all patent claims owned
or controlled by the contributor, whether already acquired or hereafter acquired, that would be infringed by some manner, permitted by
this License, of making, using, or selling its contributor version, but
do not include claims that would be infringed only as a consequence
of further modiﬁcation of the contributor version. For purposes of this
deﬁnition, “control” includes the right to grant patent sublicenses in a
manner consistent with the requirements of this License.
Each contributor grants you a non-exclusive, worldwide, royalty-free
patent license under the contributor's essential patent claims, to make,
use, sell, oﬀer for sale, import and otherwise run, modify and propagate
the contents of its contributor version.
In the following three paragraphs, a “patent license” is any express
agreement or commitment, however denominated, not to enforce a patent (such as an express permission to practice a patent or covenant
not to sue for patent infringement). To “grant” such a patent license
to a party means to make such an agreement or commitment not to
enforce a patent against the party.
If you convey a covered work, knowingly relying on a patent license,
and the Corresponding Source of the work is not available for anyone to
copy, free of charge and under the terms of this License, through a publicly available network server or other readily accessible means, then
you must either (1) cause the Corresponding Source to be so available,
or (2) arrange to deprive yourself of the beneﬁt of the patent license for
this particular work, or (3) arrange, in a manner consistent with the requirements of this License, to extend the patent license to downstream
recipients. “Knowingly relying” means you have actual knowledge that,
but for the patent license, your conveying the covered work in a country, or your recipient's use of the covered work in a country, would
infringe one or more identiﬁable patents in that country that you have
reason to believe are valid.
If, pursuant to or in connection with a single transaction or arrangement, you convey, or propagate by procuring conveyance of, a covered
work, and grant a patent license to some of the parties receiving the
covered work authorizing them to use, propagate, modify or convey a
speciﬁc copy of the covered work, then the patent license you grant is
automatically extended to all recipients of the covered work and works
based on it.
A patent license is “discriminatory” if it does not include within the
scope of its coverage, prohibits the exercise of, or is conditioned on the
non-exercise of one or more of the rights that are speciﬁcally granted
under this License. You may not convey a covered work if you are a
party to an arrangement with a third party that is in the business
of distributing software, under which you make payment to the third
party based on the extent of your activity of conveying the work, and
under which the third party grants, to any of the parties who would
receive the covered work from you, a discriminatory patent license (a)
in connection with copies of the covered work conveyed by you (or
copies made from those copies), or (b) primarily for and in connection
with speciﬁc products or compilations that contain the covered work,
unless you entered into that arrangement, or that patent license was
granted, prior to 28 March 2007.
Nothing in this License shall be construed as excluding or limiting any
implied license or other defenses to infringement that may otherwise
be available to you under applicable patent law. 12. No Surrender of
Others' Freedom.
If conditions are imposed on you (whether by court order, agreement
or otherwise) that contradict the conditions of this License, they do
not excuse you from the conditions of this License. If you cannot convey a covered work so as to satisfy simultaneously your obligations
under this License and any other pertinent obligations, then as a consequence you may not convey it at all. For example, if you agree to
terms that obligate you to collect a royalty for further conveying from
those to whom you convey the Program, the only way you could satisfy both those terms and this License would be to refrain entirely from
conveying the Program. 13. Use with the GNU Aﬀero General Public
License.
Notwithstanding any other provision of this License, you have permission to link or combine any covered work with a work licensed under
version 3 of the GNU Aﬀero General Public License into a single combined work, and to convey the resulting work. The terms of this License
will continue to apply to the part which is the covered work, but the
special requirements of the GNU Aﬀero General Public License, section 13, concerning interaction through a network will apply to the
combination as such. 14. Revised Versions of this License.
The Free Software Foundation may publish revised and/or new versions of the GNU General Public License from time to time. Such new
versions will be similar in spirit to the present version, but may diﬀer
in detail to address new problems or concerns.
Each version is given a distinguishing version number. If the Program
speciﬁes that a certain numbered version of the GNU General Public
License “or any later version” applies to it, you have the option of following the terms and conditions either of that numbered version or
of any later version published by the Free Software Foundation. If the
Program does not specify a version number of the GNU General Public License, you may choose any version ever published by the Free
Software Foundation.
If the Program speciﬁes that a proxy can decide which future versions
of the GNU General Public License can be used, that proxy's public
statement of acceptance of a version permanently authorizes you to
choose that version for the Program.
Later license versions may give you additional or diﬀerent permissions. However, no additional obligations are imposed on any author or
copyright holder as a result of your choosing to follow a later version.
15. Disclaimer of Warranty.
THERE IS NO WARRANTY FOR THE PROGRAM, TO THE
EXTENT PERMITTED BY APPLICABLE LAW. EXCEPT WHEN
OTHERWISE STATED IN WRITING THE COPYRIGHT HOLDERS AND/OR OTHER PARTIES PROVIDE THE PROGRAM
“AS IS” WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EITHER EXPRESSED OR IMPLIED, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO,
THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND
FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. THE ENTIRE RISK
AS TO THE QUALITY AND PERFORMANCE OF THE PROGRAM IS WITH YOU. SHOULD THE PROGRAM PROVE DEFECTIVE, YOU ASSUME THE COST OF ALL NECESSARY SERVICING, REPAIR OR CORRECTION. 16. Limitation of Liability.
IN NO EVENT UNLESS REQUIRED BY APPLICABLE LAW OR
AGREED TO IN WRITING WILL ANY COPYRIGHT HOLDER,
OR ANY OTHER PARTY WHO MODIFIES AND/OR CONVEYS
THE PROGRAM AS PERMITTED ABOVE, BE LIABLE TO YOU
FOR DAMAGES, INCLUDING ANY GENERAL, SPECIAL, INCIDENTAL OR CONSEQUENTIAL DAMAGES ARISING OUT OF
THE USE OR INABILITY TO USE THE PROGRAM (INCLUDING
BUT NOT LIMITED TO LOSS OF DATA OR DATA BEING RENDERED INACCURATE OR LOSSES SUSTAINED BY YOU OR
THIRD PARTIES OR A FAILURE OF THE PROGRAM TO OPERATE WITH ANY OTHER PROGRAMS), EVEN IF SUCH HOLDER OR OTHER PARTY HAS BEEN ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGES. 17. Interpretation of Sections 15 and
16.
If the disclaimer of warranty and limitation of liability provided above
cannot be given local legal eﬀect according to their terms, reviewing
courts shall apply local law that most closely approximates an absolute waiver of all civil liability in connection with the Program, unless a
warranty or assumption of liability accompanies a copy of the Program
in return for a fee.
You should have received a copy of the GNU General Public License
along with this program. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
END OF TERMS AND CONDITIONS How to Apply These Terms
to Your New Programs
If the program does terminal interaction, make it output a short notice
like this when it starts in an interactive mode:
If you develop a new program, and you want it to be of the greatest
possible use to the public, the best way to achieve this is to make it
free software which everyone can redistribute and change under these
terms.
<program> Copyright (C) <year> <name of author> This program
comes with ABSOLUTELY NO WARRANTY; for details type `show
w'. This is free software, and you are welcome to redistribute it under
certain conditions; type `show c' for details.
To do so, attach the following notices to the program. It is safest to
attach them to the start of each source ﬁle to most eﬀectively state the
exclusion of warranty; and each ﬁle should have at least the “copyright”
line and a pointer to where the full notice is found.
<one line to give the program's name and a brief idea of what it does.>
Copyright (C) <year> <name of author>
This program is free software: you can redistribute it and/or modify it
under the terms of the GNU General Public License as published by
the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or (at
your option) any later version.
This program is distributed in the hope that it will be useful, but
WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty
of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU General Public License for more details.
Also add information on how to contact you by electronic and paper
mail.
The hypothetical commands `show w' and `show c' should show the
appropriate parts of the General Public License. Of course, your program's commands might be diﬀerent; for a GUI interface, you would
use an “about box”.
You should also get your employer (if you work as a programmer) or
school, if any, to sign a “copyright disclaimer” for the program, if necessary. For more information on this, and how to apply and follow
the GNU GPL, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
The GNU General Public License does not permit incorporating your
program into proprietary programs. If your program is a subroutine
library, you may consider it more useful to permit linking proprietary
applications with the library. If this is what you want to do, use the
GNU Lesser General Public License instead of this License. But ﬁrst,
please read <http://www.gnu.org/philosophy/why-not-lgpl.html>.
22.2 GNU Free Documentation License
Version 1.3, 3 November 2008
Copyright © 2000, 2001, 2002, 2007, 2008 Free Software Foundation,
Inc. <http://fsf.org/>
Everyone is permitted to copy and distribute verbatim copies of this
license document, but changing it is not allowed. 0. PREAMBLE
The purpose of this License is to make a manual, textbook, or other
functional and useful document "freeïn the sense of freedom: to assure everyone the eﬀective freedom to copy and redistribute it, with or
without modifying it, either commercially or noncommercially. Secondarily, this License preserves for the author and publisher a way to
get credit for their work, while not being considered responsible for
modiﬁcations made by others.
This License is a kind of "copyleft", which means that derivative works
of the document must themselves be free in the same sense. It complements the GNU General Public License, which is a copyleft license
designed for free software.
We have designed this License in order to use it for manuals for free
software, because free software needs free documentation: a free program should come with manuals providing the same freedoms that the
software does. But this License is not limited to software manuals;
it can be used for any textual work, regardless of subject matter or
whether it is published as a printed book. We recommend this License principally for works whose purpose is instruction or reference. 1.
APPLICABILITY AND DEFINITIONS
following text that translates XYZ in another language. (Here XYZ
stands for a speciﬁc section name mentioned below, such as Äcknowledgements", "Dedications", Ëndorsements", or "History".) To "Preserve the Titleöf such a section when you modify the Document means
that it remains a section Ëntitled XYZäccording to this deﬁnition.
The Document may include Warranty Disclaimers next to the notice
which states that this License applies to the Document. These Warranty Disclaimers are considered to be included by reference in this
License, but only as regards disclaiming warranties: any other implication that these Warranty Disclaimers may have is void and has no
eﬀect on the meaning of this License. 2. VERBATIM COPYING
You may copy and distribute the Document in any medium, either
commercially or noncommercially, provided that this License, the copyright notices, and the license notice saying this License applies to
the Document are reproduced in all copies, and that you add no other
conditions whatsoever to those of this License. You may not use technical measures to obstruct or control the reading or further copying of
the copies you make or distribute. However, you may accept compensation in exchange for copies. If you distribute a large enough number
of copies you must also follow the conditions in section 3.
You may also lend copies, under the same conditions stated above, and
you may publicly display copies. 3. COPYING IN QUANTITY
This License applies to any manual or other work, in any medium,
that contains a notice placed by the copyright holder saying it can
be distributed under the terms of this License. Such a notice grants a
world-wide, royalty-free license, unlimited in duration, to use that work
under the conditions stated herein. The "Document", below, refers to
any such manual or work. Any member of the public is a licensee, and
is addressed as "you". You accept the license if you copy, modify or
distribute the work in a way requiring permission under copyright law.
If you publish printed copies (or copies in media that commonly have
printed covers) of the Document, numbering more than 100, and the
Document's license notice requires Cover Texts, you must enclose the
copies in covers that carry, clearly and legibly, all these Cover Texts:
Front-Cover Texts on the front cover, and Back-Cover Texts on the
back cover. Both covers must also clearly and legibly identify you as
the publisher of these copies. The front cover must present the full title
with all words of the title equally prominent and visible. You may add
other material on the covers in addition. Copying with changes limited
to the covers, as long as they preserve the title of the Document and
satisfy these conditions, can be treated as verbatim copying in other
respects.
A "Modiﬁed Versionöf the Document means any work containing the
Document or a portion of it, either copied verbatim, or with modiﬁcations and/or translated into another language.
If the required texts for either cover are too voluminous to ﬁt legibly,
you should put the ﬁrst ones listed (as many as ﬁt reasonably) on the
actual cover, and continue the rest onto adjacent pages.
A SSecondary Sectionïs a named appendix or a front-matter section of
the Document that deals exclusively with the relationship of the publishers or authors of the Document to the Document's overall subject (or
to related matters) and contains nothing that could fall directly within
that overall subject. (Thus, if the Document is in part a textbook of
mathematics, a Secondary Section may not explain any mathematics.)
The relationship could be a matter of historical connection with the
subject or with related matters, or of legal, commercial, philosophical,
ethical or political position regarding them.
If you publish or distribute Opaque copies of the Document numbering
more than 100, you must either include a machine-readable Transparent copy along with each Opaque copy, or state in or with each Opaque
copy a computer-network location from which the general networkusing public has access to download using public-standard network
protocols a complete Transparent copy of the Document, free of added
material. If you use the latter option, you must take reasonably prudent steps, when you begin distribution of Opaque copies in quantity,
to ensure that this Transparent copy will remain thus accessible at the
stated location until at least one year after the last time you distribute
an Opaque copy (directly or through your agents or retailers) of that
edition to the public.
The Ïnvariant Sectionsäre certain Secondary Sections whose titles are
designated, as being those of Invariant Sections, in the notice that
says that the Document is released under this License. If a section
does not ﬁt the above deﬁnition of Secondary then it is not allowed to
be designated as Invariant. The Document may contain zero Invariant Sections. If the Document does not identify any Invariant Sections
then there are none.
The "Cover Textsäre certain short passages of text that are listed, as
Front-Cover Texts or Back-Cover Texts, in the notice that says that
the Document is released under this License. A Front-Cover Text may
be at most 5 words, and a Back-Cover Text may be at most 25 words.
A "Transparent"copy of the Document means a machine-readable
copy, represented in a format whose speciﬁcation is available to the
general public, that is suitable for revising the document straightforwardly with generic text editors or (for images composed of pixels) generic paint programs or (for drawings) some widely available drawing
editor, and that is suitable for input to text formatters or for automatic
translation to a variety of formats suitable for input to text formatters.
A copy made in an otherwise Transparent ﬁle format whose markup,
or absence of markup, has been arranged to thwart or discourage subsequent modiﬁcation by readers is not Transparent. An image format
is not Transparent if used for any substantial amount of text. A copy
that is not "Transparentïs called Öpaque".
Examples of suitable formats for Transparent copies include plain
ASCII without markup, Texinfo input format, LaTeX input format, SGML or XML using a publicly available DTD, and standardconforming simple HTML, PostScript or PDF designed for human modiﬁcation. Examples of transparent image formats include PNG, XCF
and JPG. Opaque formats include proprietary formats that can be read and edited only by proprietary word processors, SGML or XML for
which the DTD and/or processing tools are not generally available,
and the machine-generated HTML, PostScript or PDF produced by
some word processors for output purposes only.
The "Title Page"means, for a printed book, the title page itself, plus
such following pages as are needed to hold, legibly, the material this License requires to appear in the title page. For works in formats which
do not have any title page as such, "Title Page"means the text near the most prominent appearance of the work's title, preceding the
beginning of the body of the text.
The "publisher"means any person or entity that distributes copies of
the Document to the public.
A section Ëntitled XYZ"means a named subunit of the Document
whose title either is precisely XYZ or contains XYZ in parentheses
It is requested, but not required, that you contact the authors of the
Document well before redistributing any large number of copies, to
give them a chance to provide you with an updated version of the
Document. 4. MODIFICATIONS
You may copy and distribute a Modiﬁed Version of the Document under the conditions of sections 2 and 3 above, provided that you release
the Modiﬁed Version under precisely this License, with the Modiﬁed
Version ﬁlling the role of the Document, thus licensing distribution and
modiﬁcation of the Modiﬁed Version to whoever possesses a copy of it.
In addition, you must do these things in the Modiﬁed Version:
* A. Use in the Title Page (and on the covers, if any) a title distinct from that of the Document, and from those of previous versions
(which should, if there were any, be listed in the History section of
the Document). You may use the same title as a previous version if
the original publisher of that version gives permission. * B. List on
the Title Page, as authors, one or more persons or entities responsible
for authorship of the modiﬁcations in the Modiﬁed Version, together
with at least ﬁve of the principal authors of the Document (all of its
principal authors, if it has fewer than ﬁve), unless they release you
from this requirement. * C. State on the Title page the name of the
publisher of the Modiﬁed Version, as the publisher. * D. Preserve all
the copyright notices of the Document. * E. Add an appropriate copyright notice for your modiﬁcations adjacent to the other copyright
notices. * F. Include, immediately after the copyright notices, a license
notice giving the public permission to use the Modiﬁed Version under
the terms of this License, in the form shown in the Addendum below.
* G. Preserve in that license notice the full lists of Invariant Sections
and required Cover Texts given in the Document's license notice. *
H. Include an unaltered copy of this License. * I. Preserve the section
Entitled "History", Preserve its Title, and add to it an item stating
at least the title, year, new authors, and publisher of the Modiﬁed
Version as given on the Title Page. If there is no section Entitled "Historyïn the Document, create one stating the title, year, authors, and
publisher of the Document as given on its Title Page, then add an item
describing the Modiﬁed Version as stated in the previous sentence. *
J. Preserve the network location, if any, given in the Document for
public access to a Transparent copy of the Document, and likewise the
network locations given in the Document for previous versions it was
based on. These may be placed in the "Historyßection. You may omit
a network location for a work that was published at least four years
before the Document itself, or if the original publisher of the version it
refers to gives permission. * K. For any section Entitled Äcknowledgementsör "Dedications", Preserve the Title of the section, and preserve
in the section all the substance and tone of each of the contributor
acknowledgements and/or dedications given therein. * L. Preserve all
the Invariant Sections of the Document, unaltered in their text and in
their titles. Section numbers or the equivalent are not considered part
of the section titles. * M. Delete any section Entitled Ëndorsements".
Such a section may not be included in the Modiﬁed Version. * N. Do
not retitle any existing section to be Entitled Ëndorsementsör to conﬂict in title with any Invariant Section. * O. Preserve any Warranty
Disclaimers.
(section 1) will typically require changing the actual title. 9. TERMINATION
If the Modiﬁed Version includes new front-matter sections or appendices that qualify as Secondary Sections and contain no material copied
from the Document, you may at your option designate some or all of
these sections as invariant. To do this, add their titles to the list of
Invariant Sections in the Modiﬁed Version's license notice. These titles
must be distinct from any other section titles.
However, if you cease all violation of this License, then your license
from a particular copyright holder is reinstated (a) provisionally, unless and until the copyright holder explicitly and ﬁnally terminates
your license, and (b) permanently, if the copyright holder fails to notify you of the violation by some reasonable means prior to 60 days
after the cessation.
You may add a section Entitled Ëndorsements", provided it contains nothing but endorsements of your Modiﬁed Version by various
parties—for example, statements of peer review or that the text has
been approved by an organization as the authoritative deﬁnition of a
standard.
Moreover, your license from a particular copyright holder is reinstated
permanently if the copyright holder notiﬁes you of the violation by
some reasonable means, this is the ﬁrst time you have received notice
of violation of this License (for any work) from that copyright holder,
and you cure the violation prior to 30 days after your receipt of the
notice.
You may add a passage of up to ﬁve words as a Front-Cover Text,
and a passage of up to 25 words as a Back-Cover Text, to the end
of the list of Cover Texts in the Modiﬁed Version. Only one passage
of Front-Cover Text and one of Back-Cover Text may be added by
(or through arrangements made by) any one entity. If the Document
already includes a cover text for the same cover, previously added by
you or by arrangement made by the same entity you are acting on
behalf of, you may not add another; but you may replace the old one,
on explicit permission from the previous publisher that added the old
one.
The author(s) and publisher(s) of the Document do not by this License
give permission to use their names for publicity for or to assert or imply
endorsement of any Modiﬁed Version. 5. COMBINING DOCUMENTS
You may combine the Document with other documents released under
this License, under the terms deﬁned in section 4 above for modiﬁed
versions, provided that you include in the combination all of the Invariant Sections of all of the original documents, unmodiﬁed, and list
them all as Invariant Sections of your combined work in its license
notice, and that you preserve all their Warranty Disclaimers.
The combined work need only contain one copy of this License, and
multiple identical Invariant Sections may be replaced with a single
copy. If there are multiple Invariant Sections with the same name but
diﬀerent contents, make the title of each such section unique by adding at the end of it, in parentheses, the name of the original author or
publisher of that section if known, or else a unique number. Make the
same adjustment to the section titles in the list of Invariant Sections
in the license notice of the combined work.
In the combination, you must combine any sections Entitled "Historyïn
the various original documents, forming one section Entitled "History"; likewise combine any sections Entitled Äcknowledgements", and
any sections Entitled "Dedications". You must delete all sections Entitled Ëndorsements". 6. COLLECTIONS OF DOCUMENTS
You may make a collection consisting of the Document and other documents released under this License, and replace the individual copies of
this License in the various documents with a single copy that is included in the collection, provided that you follow the rules of this License
for verbatim copying of each of the documents in all other respects.
You may extract a single document from such a collection, and distribute it individually under this License, provided you insert a copy
of this License into the extracted document, and follow this License
in all other respects regarding verbatim copying of that document. 7.
AGGREGATION WITH INDEPENDENT WORKS
A compilation of the Document or its derivatives with other separate
and independent documents or works, in or on a volume of a storage or
distribution medium, is called an äggregateïf the copyright resulting
from the compilation is not used to limit the legal rights of the compilation's users beyond what the individual works permit. When the
Document is included in an aggregate, this License does not apply to
the other works in the aggregate which are not themselves derivative
works of the Document.
If the Cover Text requirement of section 3 is applicable to these copies
of the Document, then if the Document is less than one half of the
entire aggregate, the Document's Cover Texts may be placed on covers that bracket the Document within the aggregate, or the electronic
equivalent of covers if the Document is in electronic form. Otherwise
they must appear on printed covers that bracket the whole aggregate.
8. TRANSLATION
Translation is considered a kind of modiﬁcation, so you may distribute
translations of the Document under the terms of section 4. Replacing
Invariant Sections with translations requires special permission from
their copyright holders, but you may include translations of some or
all Invariant Sections in addition to the original versions of these Invariant Sections. You may include a translation of this License, and all
the license notices in the Document, and any Warranty Disclaimers,
provided that you also include the original English version of this License and the original versions of those notices and disclaimers. In case
of a disagreement between the translation and the original version of
this License or a notice or disclaimer, the original version will prevail.
If a section in the Document is Entitled Äcknowledgements", "Dedications", or "History", the requirement (section 4) to Preserve its Title
You may not copy, modify, sublicense, or distribute the Document except as expressly provided under this License. Any attempt otherwise
to copy, modify, sublicense, or distribute it is void, and will automatically terminate your rights under this License.
Termination of your rights under this section does not terminate the
licenses of parties who have received copies or rights from you under
this License. If your rights have been terminated and not permanently
reinstated, receipt of a copy of some or all of the same material does
not give you any rights to use it. 10. FUTURE REVISIONS OF THIS
LICENSE
The Free Software Foundation may publish new, revised versions
of the GNU Free Documentation License from time to time. Such
new versions will be similar in spirit to the present version, but
may diﬀer in detail to address new problems or concerns. See
http://www.gnu.org/copyleft/.
Each version of the License is given a distinguishing version number.
If the Document speciﬁes that a particular numbered version of this
License ör any later versionäpplies to it, you have the option of following the terms and conditions either of that speciﬁed version or of
any later version that has been published (not as a draft) by the Free
Software Foundation. If the Document does not specify a version number of this License, you may choose any version ever published (not
as a draft) by the Free Software Foundation. If the Document speciﬁes that a proxy can decide which future versions of this License can
be used, that proxy's public statement of acceptance of a version permanently authorizes you to choose that version for the Document. 11.
RELICENSING
"Massive Multiauthor Collaboration Site"(or "MMC Site") means any
World Wide Web server that publishes copyrightable works and also
provides prominent facilities for anybody to edit those works. A public
wiki that anybody can edit is an example of such a server. A "Massive
Multiauthor Collaboration"(or "MMC") contained in the site means
any set of copyrightable works thus published on the MMC site.
"CC-BY-SA"means the Creative Commons Attribution-Share Alike
3.0 license published by Creative Commons Corporation, a not-forproﬁt corporation with a principal place of business in San Francisco,
California, as well as future copyleft versions of that license published
by that same organization.
Ïncorporate"means to publish or republish a Document, in whole or in
part, as part of another Document.
An MMC is ëligible for relicensingïf it is licensed under this License,
and if all works that were ﬁrst published under this License somewhere
other than this MMC, and subsequently incorporated in whole or in
part into the MMC, (1) had no cover texts or invariant sections, and
(2) were thus incorporated prior to November 1, 2008.
The operator of an MMC Site may republish an MMC contained in
the site under CC-BY-SA on the same site at any time before August
1, 2009, provided the MMC is eligible for relicensing. ADDENDUM:
How to use this License for your documents
To use this License in a document you have written, include a copy
of the License in the document and put the following copyright and
license notices just after the title page:
Copyright (C) YEAR YOUR NAME. Permission is granted to copy,
distribute and/or modify this document under the terms of the GNU
Free Documentation License, Version 1.3 or any later version published by the Free Software Foundation; with no Invariant Sections, no
Front-Cover Texts, and no Back-Cover Texts. A copy of the license is
included in the section entitled "GNU Free Documentation License".
If you have Invariant Sections, Front-Cover Texts and Back-Cover
Texts, replace the "with … Texts."line with this:
with the Invariant Sections being LIST THEIR TITLES, with the
Front-Cover Texts being LIST, and with the Back-Cover Texts being
LIST.
If you have Invariant Sections without Cover Texts, or some other
combination of the three, merge those two alternatives to suit the situation.
If your document contains nontrivial examples of program code, we recommend releasing these examples in parallel under your choice of free
software license, such as the GNU General Public License, to permit
their use in free software.
22.3 GNU Lesser General Public License
GNU LESSER GENERAL PUBLIC LICENSE
Version 3, 29 June 2007
Copyright © 2007 Free Software Foundation, Inc. <http://fsf.org/>
Everyone is permitted to copy and distribute verbatim copies of this
license document, but changing it is not allowed.
This version of the GNU Lesser General Public License incorporates the terms and conditions of version 3 of the GNU General Public
License, supplemented by the additional permissions listed below. 0.
Additional Deﬁnitions.
As used herein, “this License” refers to version 3 of the GNU Lesser
General Public License, and the “GNU GPL” refers to version 3 of the
GNU General Public License.
“The Library” refers to a covered work governed by this License, other
than an Application or a Combined Work as deﬁned below.
An “Application” is any work that makes use of an interface provided
by the Library, but which is not otherwise based on the Library. Deﬁning a subclass of a class deﬁned by the Library is deemed a mode of
using an interface provided by the Library.
The “Corresponding Application Code” for a Combined Work means
the object code and/or source code for the Application, including any
data and utility programs needed for reproducing the Combined Work
from the Application, but excluding the System Libraries of the Combined Work. 1. Exception to Section 3 of the GNU GPL.
You may convey a covered work under sections 3 and 4 of this License without being bound by section 3 of the GNU GPL. 2. Conveying
Modiﬁed Versions.
If you modify a copy of the Library, and, in your modiﬁcations, a facility refers to a function or data to be supplied by an Application that
uses the facility (other than as an argument passed when the facility
is invoked), then you may convey a copy of the modiﬁed version:
* a) under this License, provided that you make a good faith eﬀort to
ensure that, in the event an Application does not supply the function
or data, the facility still operates, and performs whatever part of its
purpose remains meaningful, or * b) under the GNU GPL, with none
of the additional permissions of this License applicable to that copy.
3. Object Code Incorporating Material from Library Header Files.
A “Combined Work” is a work produced by combining or linking an
Application with the Library. The particular version of the Library
with which the Combined Work was made is also called the “Linked
Version”.
The object code form of an Application may incorporate material from
a header ﬁle that is part of the Library. You may convey such object
code under terms of your choice, provided that, if the incorporated material is not limited to numerical parameters, data structure layouts
and accessors, or small macros, inline functions and templates (ten or
fewer lines in length), you do both of the following:
The “Minimal Corresponding Source” for a Combined Work means the
Corresponding Source for the Combined Work, excluding any source
code for portions of the Combined Work that, considered in isolation,
are based on the Application, and not on the Linked Version.
* a) Give prominent notice with each copy of the object code that the
Library is used in it and that the Library and its use are covered by
this License. * b) Accompany the object code with a copy of the GNU
GPL and this license document.
4. Combined Works.
5. Combined Libraries.
You may convey a Combined Work under terms of your choice that, taken together, eﬀectively do not restrict modiﬁcation of the portions of
the Library contained in the Combined Work and reverse engineering
for debugging such modiﬁcations, if you also do each of the following:
You may place library facilities that are a work based on the Library
side by side in a single library together with other library facilities that
are not Applications and are not covered by this License, and convey
such a combined library under terms of your choice, if you do both of
the following:
* a) Give prominent notice with each copy of the Combined Work that
the Library is used in it and that the Library and its use are covered
by this License. * b) Accompany the Combined Work with a copy of
the GNU GPL and this license document. * c) For a Combined Work
that displays copyright notices during execution, include the copyright
notice for the Library among these notices, as well as a reference directing the user to the copies of the GNU GPL and this license document.
* d) Do one of the following: o 0) Convey the Minimal Corresponding
Source under the terms of this License, and the Corresponding Application Code in a form suitable for, and under terms that permit, the
user to recombine or relink the Application with a modiﬁed version
of the Linked Version to produce a modiﬁed Combined Work, in the
manner speciﬁed by section 6 of the GNU GPL for conveying Corresponding Source. o 1) Use a suitable shared library mechanism for
linking with the Library. A suitable mechanism is one that (a) uses
at run time a copy of the Library already present on the user's computer system, and (b) will operate properly with a modiﬁed version
of the Library that is interface-compatible with the Linked Version. *
e) Provide Installation Information, but only if you would otherwise
be required to provide such information under section 6 of the GNU
GPL, and only to the extent that such information is necessary to install and execute a modiﬁed version of the Combined Work produced
by recombining or relinking the Application with a modiﬁed version of
the Linked Version. (If you use option 4d0, the Installation Information
must accompany the Minimal Corresponding Source and Corresponding Application Code. If you use option 4d1, you must provide the
Installation Information in the manner speciﬁed by section 6 of the
GNU GPL for conveying Corresponding Source.)
* a) Accompany the combined library with a copy of the same work
based on the Library, uncombined with any other library facilities,
conveyed under the terms of this License. * b) Give prominent notice
with the combined library that part of it is a work based on the Library, and explaining where to ﬁnd the accompanying uncombined form
of the same work.
6. Revised Versions of the GNU Lesser General Public License.
The Free Software Foundation may publish revised and/or new versions of the GNU Lesser General Public License from time to time. Such
new versions will be similar in spirit to the present version, but may
diﬀer in detail to address new problems or concerns.
Each version is given a distinguishing version number. If the Library as
you received it speciﬁes that a certain numbered version of the GNU
Lesser General Public License “or any later version” applies to it, you
have the option of following the terms and conditions either of that published version or of any later version published by the Free Software
Foundation. If the Library as you received it does not specify a version
number of the GNU Lesser General Public License, you may choose
any version of the GNU Lesser General Public License ever published
by the Free Software Foundation.
If the Library as you received it speciﬁes that a proxy can decide whether future versions of the GNU Lesser General Public License shall
apply, that proxy's public statement of acceptance of any version is
permanent authorization for you to choose that version for the Library.